有一种美,叫对称美!在生活中美,在自然界美,甚至在物理学中也美。人们向往它,追求它,但是事实总是跟我们预期的不同。我们有电荷、有电场;有质荷、有引力场;有磁场,但没有磁荷(磁单极子)!这种不对称让追求完美的人类,急得牙痒痒。今天就说下自然界的不对称,宇宙中会有磁单极子吗?这也能顺便回答:为什么一块磁铁掰两半会同时拥有南北极?
为什么说磁力和引力、库仑力不对称在宇宙乃至自然界,尤其是在科学中,基本的对称性造就了大量物理过程的基础。在万有引力中,两个质量(能量)物体之间施加的力,其大小相等而方向相反。这就体现了自然界对称性!
从上图就可以看到,引力公式和静电力公式在形式上完全一样,很工整。而且对于两个电荷粒子来说,力也是一样的(大小相等方向相反),唯一不同的是电荷比质量(质荷)多了一个符号(负电荷),因此电场力可以向内,也可以是向外的。这也体现了对称性!另外电力与另一种力的关系非常密切,那就是磁力。
磁力跟电力很像,电力有有正电荷和负电荷,而磁有南极和北极,它们都是同性排斥,异性相吸。但是,磁力在一个特殊的方面与电力有着本质上的不同:
- 在电力中,不管是正负电荷我们可以把它们组合在一起,也可以让一个单独的正电荷或一个单独的负电荷独立的存在。
- 但在磁力中,多个磁极可以配置在一起形成磁铁,但不可能存在一个孤立的“北极”或“南极”。也就是说,你把磁铁掰开,不会分成一个北极和一个南极,而是分开的磁铁会同时拥有南北极。
物理学中,相反的电荷或者两极结合在一起时,我们就叫它偶极子,当一个单独的电荷存在时,我们就叫它单极子。
引力的单极子很简单:它只是一个质量或者叫它质荷。电力的单极子也很简单:任何带电荷的基本粒子,比如电子或夸克,都是单极子。
那么磁单极子是否存在呢?据我们所知,它们并不存在,至少我们没有发现它们。磁极子貌似总是以偶极子的形成存在!如果宇宙中存在磁单极子,我们的宇宙将会大不相同。为什么这么说呢?首先我们看下电和磁是怎么联系在一起的!
电和磁之间有什么关系?