拿一根金屬棒，把所有的電子都引到一端，這時金屬棒的電場是一個偶極場?，F(xiàn)在把金屬棒切成兩半，我們會得到一對電荷：一半是負(fù)電荷，另一半是正電荷，這兩個電荷都有直接向外輻射的電場。

現(xiàn)在再拿一根金屬棒，用磁鐵磁化它，我們會得到一個與偶極子電場非常相似的偶極子磁場。但如果我們再把這個金屬棒分成兩半，每一半的末端仍然是北極和南極，仍然會產(chǎn)生一個偶極場。根據(jù)經(jīng)典的電磁學(xué)，無論對金屬棒切割多少次都沒有關(guān)系，我們永遠(yuǎn)不會得到孤立的磁荷，也就是磁單極子。

早在1269年，法國學(xué)者Petrus Peregrinus de Marincourt首次進(jìn)行了這項磁體切片實驗，這是在我們知道磁體產(chǎn)生原理之前。如今，我們知道磁性從何而來，我們對減半的磁鐵會產(chǎn)生兩個更小的磁鐵并不感到驚訝。在鐵磁體中，磁場是磁鐵原子中無數(shù)微小排列的電子偶極子場的總和。產(chǎn)生偶極子磁場的另一種流行方法是電磁體，根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)，移動電荷是磁場的來源。

經(jīng)典理論

磁單極子的不存在被編入經(jīng)典電動力學(xué)的數(shù)學(xué)中，特別是高斯磁定律（麥克斯韋四個方程之一），它表明磁場的散度為零。散度是一個數(shù)學(xué)術(shù)語，它描述的是向量場中里的一個點(diǎn)是源還是匯，零散度意味著沒有源也沒有匯。根據(jù)這條定律，我們知道沒有磁單極子的存在。

另一方面，電場的高斯定律告訴我們，電場的散度不為零，它與電荷密度成正比。該電荷是電場線可以結(jié)束的地方——它形成了它們的源或匯，所以有諸如孤立電荷之類的東西。如果我們快速瀏覽一下麥克斯韋方程組，我們會發(fā)現(xiàn)電和磁不是對稱的。如果我們向方程中添加磁荷這樣的東西，也可以在這些方程之間具有對稱性。

物理學(xué)家默里·蓋爾曼說：“所有不被禁止的都是強(qiáng)制性的?！边@意味著如果物理理論的數(shù)學(xué)允許它的存在，那么它就存在于自然界中。麥克斯韋方程中沒有任何東西真正表明磁單極子不存在，除了麥克斯韋將磁荷設(shè)為零這一事實，因為他不相信它存在。但原則上磁單極子可以存在，至少根據(jù)經(jīng)典理論。

量子理論

量子力學(xué)呢？通過用量子場而不是電荷和力的方式來解釋，徹底改變了我們對電磁學(xué)的理解。偉大的物理學(xué)家保羅·狄拉克有一個習(xí)慣，就是盯著數(shù)學(xué)就發(fā)現(xiàn)粒子。正如我們之前文章中討論的那樣，他在1928年以這種方式預(yù)測了反物質(zhì)的存在。但隨后在1931年，就在他的反物質(zhì)得到驗證之前，狄拉克做出了另一個預(yù)測——磁單極子的存在。

他的論點(diǎn)是這樣的：從偶極子磁場開始，可以通過將兩端分開足夠遠(yuǎn)并以某種方式消失連接的磁力線來近似單極子。有一種方法可以做到這一點(diǎn)，一個同電的螺線管會得到一個偶極場，其連接場線被限制在線圈內(nèi)。所以使線圈的寬度遠(yuǎn)小于長度，它看起來就像兩個孤立的磁荷。這種構(gòu)造被稱為“狄拉克弦”，狄拉克的論點(diǎn)是，如果狄拉克弦的弦部分從根本上無法探測到，那么磁單極子就可以存在。

論點(diǎn)的第二部分是在什么條件下無法檢測到該弦。磁場會影響帶電粒子，在量子力學(xué)中，這是通過改變粒子波函數(shù)的相位來實現(xiàn)的。想象一個帶電粒子經(jīng)過狄拉克弦，比如一個電子。要繪制該軌跡，需要將電子的所有可能路徑相加，包括在弦上向左和向右的路徑。弦的存在及其磁場應(yīng)該會根據(jù)電子通過弦的哪一側(cè)引入不同的相移，這實際上會對電子的路徑產(chǎn)生明顯的影響。換句話說，該弦將是可檢測的。

但是有一種情況是永遠(yuǎn)無法檢測到弦：相移的量與電荷成正比。對于該電荷的值，在弦的不同側(cè)之間引起的相移恰好是一個波周期。這意味著沒有可觀察到的差異，所以對于狄拉克弦是不可檢測的，最終電荷只能以基本電荷的整數(shù)倍存在。另一方面，這被認(rèn)為是對電荷量子化的預(yù)測，只要整個宇宙至少有一個磁單極子，電荷就必須是離散的。當(dāng)然，我們知道電荷確實是量子化的，它只能是電子電荷的整數(shù)倍，

但是，與其將其作為電荷量化的預(yù)測，我們還可以將其翻轉(zhuǎn)：如果電荷被量化，磁單極子的存在就是可能的。電荷被證明是量子化的，所以量子力學(xué)實際上并不禁止單極子。

大統(tǒng)一理論

讓我們快進(jìn)40年。在1970年代初，物理學(xué)家設(shè)法解釋弱力并將其與電磁學(xué)統(tǒng)一起來。解決這個問題后，物理學(xué)家們正在努力通過所謂的大統(tǒng)一理論將強(qiáng)力納入其中，這些理論涉及復(fù)雜的對稱性破壞。事實證明，磁單極子在所有大統(tǒng)一理論中都是不可避免的。

在電弱理論中，希格斯場是一個標(biāo)量場，它到處都有兩個復(fù)雜的值，這兩個“自由度”的相互作用賦予了希格斯粒子質(zhì)量。在最簡單的大統(tǒng)一理論中，希格斯場有三個自由度而不是兩個。這意味著場可以有點(diǎn)像矢量，即使它真的不是矢量。它可以有一個指向特定方向的內(nèi)部箭頭——不是指向物理空間，而是指向這三個自由度的空間。

1974年，Gerard t’Hooft 和 Alexander Polyakov同時提出，希格斯場的某些點(diǎn)可以形成一些結(jié)——場箭頭的指向都遠(yuǎn)離那個點(diǎn)，這些是拓?fù)洳贿B續(xù)點(diǎn)，不能通過空間的平滑變形來移除的點(diǎn)。事實證明，在大統(tǒng)一理論中，希格斯場中的這些結(jié)表現(xiàn)為帶有磁荷的粒子——磁單極子，它們應(yīng)該是非常大的，并且應(yīng)該在極高能量的環(huán)境中自發(fā)形成，例如在非常早期的宇宙中。

這些理論預(yù)測存在磁單極子是令人興奮的，但確實也存在問題。因為這些理論預(yù)測，在很早的宇宙中應(yīng)該會大量產(chǎn)生磁單極子，與質(zhì)子和電子一樣多，那么它們現(xiàn)在在哪里呢？并且它們也應(yīng)該非常大，是質(zhì)子質(zhì)量的千萬億倍，因此應(yīng)該迅速重新坍縮宇宙。

實驗

早在1982年，物理學(xué)家Blas Cabrera Navarro 在他的斯坦福實驗室建立了一個超導(dǎo)線圈，并設(shè)法探測到狄拉克預(yù)測的磁單極子，但未能成功。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上也有幾個不同的實驗，同樣也未能發(fā)現(xiàn)磁單極子。大型強(qiáng)子對撞機(jī)所能達(dá)到的能量比大統(tǒng)一理論預(yù)測的產(chǎn)生單極子所需的能量低約1000 億倍。人們還尋找來自太空的磁單極子，但同樣，目前還沒有令人信服的證據(jù)。