宇宙的奧秘一直在等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)它。

電磁場(chǎng)是由電荷和磁電荷產(chǎn)生。

電磁場(chǎng)則將產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，來(lái)自維基媒體用戶共享平臺(tái)。

在所有已知的微粒子中——包括基本粒子和復(fù)合粒子——出現(xiàn)了一系列的特性。宇宙中的每個(gè)量子都可以有質(zhì)量，也可以沒(méi)有質(zhì)量。它們可以帶有顏色電荷，這意味著它們與強(qiáng)大的力耦合，或者它們可以是無(wú)電荷的。它們可以具有弱超電荷和/或弱同位旋，也可以與弱力相互作用完全解耦。它們可以帶電荷，也可以是電中性的。它們可以有自旋，或者固有的角動(dòng)量，或者它們可以是無(wú)自旋的。如果你有電荷和某種形式的角動(dòng)量，你也會(huì)有磁矩：一種表現(xiàn)為偶極子的磁性，有一個(gè)北端和一個(gè)南端。

但并沒(méi)有任何基本實(shí)體具有獨(dú)特的磁荷，比如北極或南極本身。關(guān)于磁單極子的這個(gè)想法，作為一個(gè)純粹的理論構(gòu)造已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但是有理由把它作為我們宇宙中的一個(gè)物理存在來(lái)認(rèn)真對(duì)待。Patreon的支持者吉姆·南斯（Jim Nance）寫(xiě)信是因?yàn)樗胫涝颍?/p>

你曾說(shuō)過(guò)宇宙并非異常導(dǎo)致變熱，因?yàn)槲覀儧](méi)有看到像磁單極子這樣的遺跡。你的篤定讓我好奇，既然沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)磁單極天線或其他遺跡，為什么我們堅(jiān)信它們存在？”

進(jìn)步性

這是一個(gè)深刻的問(wèn)題，需要進(jìn)一步作回答。讓我們從19世紀(jì)開(kāi)始追溯它的緣由。

感應(yīng)是如何在導(dǎo)線回路中產(chǎn)生電流的。

當(dāng)你將磁鐵移入（或移出）線圈或線圈時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)在周?chē)淖?。。。[+]OPENTEXTBC上的OpenStatxCollege。CA，根據(jù)CC-BY-4.0。

19世紀(jì)初，人們對(duì)電和磁有所了解。人們普遍認(rèn)為電荷有兩種類(lèi)型，即同性電荷排斥異性電荷，異性電荷吸引異性電荷，運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生電流：我們今天稱之為“電”。 永磁體，其中一邊像“北極”，另一邊像“南極”，然而，你把一塊永磁體一分為二，不管切成多小，你永遠(yuǎn)不會(huì)得到一個(gè)北極或一個(gè)南極；磁荷只在偶極子結(jié)構(gòu)中成對(duì)出現(xiàn)。

傾力付出

為什么美國(guó)應(yīng)該為太陽(yáng)造成的數(shù)十億美元損失的“互聯(lián)網(wǎng)災(zāi)難”做好準(zhǔn)備。

水星不再是離太陽(yáng)最近的天體：科學(xué)家們剛剛發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)的新近鄰。

本周，當(dāng)兩次太陽(yáng)爆炸震動(dòng)地球時(shí)，循著明亮的極光即可發(fā)現(xiàn)它；

在整個(gè)19世紀(jì)，許多發(fā)明幫助我們理解了電磁與宇宙的關(guān)系。人類(lèi)認(rèn)識(shí)了感應(yīng)：電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的原理。我們學(xué)習(xí)了電磁輻射，研究加速電荷如何發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。當(dāng)所有的知識(shí)形成理論體系，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)宇宙在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電荷之間是不對(duì)稱的：麥克斯韋方程組只包含電荷和電流。沒(méi)有基本的磁性電荷或電流，我們觀察到的唯一磁性是由電荷和電流引起的。

有磁單極子和無(wú)磁單極子都可以寫(xiě)出麥克斯韋方程組。

可以寫(xiě)下各種方程，比如麥克斯韋方程，來(lái)描述。。。[+]埃德·默多克

從數(shù)學(xué)上——或者如果你愿意的話，從理論物理的角度——很容易修改麥克斯韋方程組，將磁荷和電流包括在內(nèi)：你只需添加物體也具有基本磁荷的能力：物體本身固有的單個(gè)“北極”或“南極”。當(dāng)你介紹這些額外的術(shù)語(yǔ)時(shí)，麥克斯韋

方程組得到了修正，變得完全對(duì)稱。即刻，感應(yīng)也以另一種方式工作：移動(dòng)的磁荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而變化的電場(chǎng)會(huì)誘發(fā)磁電流，導(dǎo)致磁荷在能夠攜帶磁電流的材料內(nèi)移動(dòng)和加速。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，所有這些都只是幻想，直到人類(lèi)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到對(duì)稱性在物理學(xué)中的影響，以及宇宙的量子性質(zhì)。通常，在高能狀態(tài)下，電磁學(xué)在電和磁組件之間是對(duì)稱的，我們生活在一個(gè)低能、對(duì)稱性破缺的世界里。盡管皮埃爾·居里（Pierre Curie）在1894年是第一個(gè)指出磁性“電荷”可能存在的人之一，但1931年的保羅·狄拉克（Paul Dirac）卻展示了一件非凡的事情：如果你在宇宙中的任何地方都有一個(gè)磁性電荷，那么量子力學(xué)就意味著電荷應(yīng)該在任何地方量子化。

基于E8群（l）和標(biāo)準(zhǔn)模型（r）的李代數(shù)之間的差異。

基于E（8）群（左）和標(biāo)準(zhǔn)模型（右）的李代數(shù)之間的差異。。。[+]CJEAN42/維基媒體共享空間

這很吸引人，因?yàn)橛^察到的電荷不僅是量子化的，而且當(dāng)涉及到夸克時(shí)，它們是以分?jǐn)?shù)形式量子化的。在物理學(xué)中，我們所掌握的關(guān)于新發(fā)現(xiàn)即將到來(lái)的最有力的“線索”之一是發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，可以解釋為什么宇宙具有我們所觀察到的性質(zhì)。

然而，這些都沒(méi)有提供任何證據(jù)證明磁單極子確實(shí)存在，只是表明它們可能存在

。在理論方面，量子力學(xué)很快被量子場(chǎng)論所取代，在量子場(chǎng)論中，場(chǎng)也被量子化。為了描述電磁學(xué)，引入了一個(gè)稱為U（1）的規(guī)范組，目前仍在使用。在規(guī)范理論中，只有當(dāng)規(guī)范群U（1）是緊的時(shí)，與電磁有關(guān)的基本電荷才會(huì)量子化；然而，如果U（1）規(guī)范群是偏緊的，我們得到的就是磁單極子。

同樣，電荷必須量子化可能有不同的原因，但至少根據(jù)狄拉克的推理和我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的了解，似乎沒(méi)有理由不存在磁單極子。

標(biāo)準(zhǔn)模型，分解為SU（3）、SU（2）和U（1）組件。

此圖顯示了標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)構(gòu)（以顯示維基共享的鍵…[+]萊瑟姆 博伊爾和馬爾杜斯的方式）

幾十年來(lái)，即使在無(wú)數(shù)數(shù)學(xué)進(jìn)步之后，磁單極子的概念仍然只是一個(gè)縈繞在理論家腦海中的好奇心，沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但在1974年，在我們認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)模型的完整結(jié)構(gòu)幾年后——在群論中，由SU（3）×SU（2）×U（1）描述——物理學(xué)家開(kāi)始接受統(tǒng)一的想法。而在低能時(shí)，SU（2）描述了弱相互作用，U（1）描述了電磁相互作用，它們實(shí)際上在約100gev的能量下統(tǒng)一：電弱尺度。在這些能量下，組合群SU（2）×U（1）描述了電弱相互作用，這兩種力統(tǒng)一了。

那么，有沒(méi)有可能所有的基本力在高能下統(tǒng)一成一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)？他們可能會(huì)這樣做，因此大統(tǒng)一理論的想法開(kāi)始產(chǎn)生。更大的規(guī)范群，如SU（5），SO（10），SU（6），甚至是例外群開(kāi)始被考慮。然而，一系列令人不安但令人興奮的后果幾乎同時(shí)出現(xiàn)。這理論預(yù)言質(zhì)子將從穩(wěn)定到衰變；新的超重粒子代替存在；正如杰拉德霍夫特和亞歷山大波利亞科夫在1974年所表明的那樣，它們將導(dǎo)致磁單極子的存在。

磁單極子的概念，發(fā)射磁場(chǎng)線的方式與隔離的電。。。[+]歐米茄背景中的BPS狀態(tài)和可積性?—布里切瓦，科尼亞等人，JHEP 1210（2012）116

現(xiàn)在，我們沒(méi)有證據(jù)證明大統(tǒng)一的思想與我們的宇宙相關(guān)，但同樣，它們也有可能相關(guān)。每當(dāng)我們考慮一個(gè)理論概念時(shí)，我們尋找的一個(gè)問(wèn)題就是病理學(xué)：我們感興趣的任何情景都會(huì)以某種方式“打破”宇宙。最初，當(dāng)特霍夫特波利亞科夫單極子被提出時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)了這樣一種特殊現(xiàn)象：磁單極子會(huì)做一種被稱為“宇宙過(guò)度閉合”的事情。

在早期的宇宙中，物體是熱的，能量足夠大，任何你能用足夠能量創(chuàng)造的粒子-反粒子對(duì)-通過(guò)愛(ài)因斯坦的E=mc2-都會(huì)被創(chuàng)造出來(lái)。當(dāng)對(duì)稱性打破時(shí)，你可以給一個(gè)以前沒(méi)有質(zhì)量的粒子一個(gè)非零的靜止質(zhì)量，或者當(dāng)對(duì)稱性被打破時(shí)，你可以自發(fā)地將大量的粒子（或粒子-反粒子對(duì)）從真空中剝離出來(lái)。第一種情況的一個(gè)例子是當(dāng)希格斯對(duì)稱性破裂時(shí)會(huì)發(fā)生什么；第二種情況可能發(fā)生，例如，當(dāng)佩切伊·奎因?qū)ΨQ性破裂，將軸子拉出量子真空。

無(wú)論哪種情況，這都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

宇宙是如何膨脹的（【獨(dú)特的】黑色）？而不是膨脹的（綠色和紅色）。

如果宇宙物質(zhì)密度只是稍微略高的（紅色），它將是封閉的，并且有。。。[+]奈德·賴特的宇宙學(xué)教程

通常，宇宙膨脹和冷卻，總能量密度與任何時(shí)間點(diǎn)的膨脹率密切相關(guān)。如果你取大量以前的沒(méi)有質(zhì)量的粒子，給它們一個(gè)非零質(zhì)量，或者你突然自發(fā)地向宇宙中添加大量的質(zhì)量粒子，你會(huì)迅速增加能量密度。隨著更多的能量出現(xiàn)，突然膨脹率和能量密度出現(xiàn)失衡；宇宙中有太多的“東西”。

這不僅導(dǎo)致膨脹率下降，而且在單極子生產(chǎn)的情況下，膨脹率一直下降到零，然后開(kāi)始收縮。在短時(shí)間內(nèi)，這將導(dǎo)致宇宙的重新消失，并以一個(gè)巨大的嘎吱聲結(jié)束。這被稱為對(duì)宇宙的過(guò)度迷失，不能準(zhǔn)確描述我們的現(xiàn)實(shí)；我們還在這里，事情還沒(méi)有過(guò)去。這個(gè)難題被稱為單極子問(wèn)題，是宇宙膨脹的三個(gè)主要?jiǎng)右蛑弧?/p>

正如膨脹將宇宙（無(wú)論其幾何結(jié)構(gòu)如何）拉伸到一種與平面無(wú)法區(qū)分的狀態(tài)（解決平面度問(wèn)題），并將相同的性質(zhì)傳遞到我們可觀測(cè)宇宙中的所有位置（解決地平線問(wèn)題），只要宇宙在膨脹結(jié)束后不再加熱到規(guī)定尺度以上，它也可以解決單極子問(wèn)題。

宇宙膨脹如何解決地平線、平坦度和單極問(wèn)題。

如果宇宙膨脹了，那么我們今天所看到的可見(jiàn)宇宙來(lái)自過(guò)去。。。[+]E.西格爾/銀河系之外

早在1980年，人們就熟識(shí)了這一點(diǎn)，對(duì)胡夫特·波利亞科夫在單極子、大統(tǒng)一理論和宇宙膨脹的最早模型的共同興趣使一些人開(kāi)啟了一項(xiàng)了不起的事業(yè)：嘗試并實(shí)驗(yàn)檢測(cè)磁單極子。1981年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）建立了一個(gè)低溫實(shí)驗(yàn)，涉及一個(gè)線圈，明確了設(shè)計(jì)用于尋找磁單極子。

通過(guò)建立一個(gè)有八個(gè)回路的線圈，他推斷如果一個(gè)磁單極子穿過(guò)線圈，他會(huì)看到一個(gè)特定的信號(hào)，這是由于發(fā)生的電感應(yīng)。就像將永磁體的一端放入（或取出）線圈會(huì)感應(yīng)電流一樣，將磁單極子穿過(guò)線圈不僅會(huì)感應(yīng)電流，而且電流正好相當(dāng)于磁單極子電荷理論值的8倍，他的實(shí)驗(yàn)裝置中有8個(gè)回路。（如果偶極子穿過(guò)，則會(huì)出現(xiàn)+8的信號(hào)，緊接著是-8的信號(hào)，從而區(qū)分這兩種情況。）

1982年2月14日，辦公室里沒(méi)有人注意這個(gè)實(shí)驗(yàn)。第二天，卡布雷拉回來(lái)了，他對(duì)自己的觀察對(duì)照感到震驚。實(shí)驗(yàn)記錄了一個(gè)信號(hào)：一個(gè)幾乎完全對(duì)應(yīng)于磁單極子將產(chǎn)生的信號(hào)。

1982年為尋找磁單極子而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1982年，在布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）的帶領(lǐng)下進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。隨后進(jìn)行了大量的模仿實(shí)驗(yàn)，其中許多實(shí)驗(yàn)規(guī)模更大，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，線圈中的線圈數(shù)量在增加，但沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)任何磁單極子有關(guān)或類(lèi)似的東西。1983年2月14日，斯蒂芬·溫伯格（Stephen Weinberg）給卡布雷拉（Cabrera）寫(xiě)了一首情人節(jié)詩(shī)歌，內(nèi)容如下：

“玫瑰的紅，

紫羅蘭的藍(lán)，

輪到單極子了

正點(diǎn)！”

但是，盡管我們進(jìn)行了所有的實(shí)驗(yàn)，其中一些一直持續(xù)到今天，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磁單極子的其他跡象?？ú祭桌救死^續(xù)完成許多其他實(shí)驗(yàn)，但我們可能永遠(yuǎn)不知道1982年那天到底發(fā)生了什么。我們所知道的是，如果沒(méi)有能力確認(rèn)和再現(xiàn)這個(gè)結(jié)果，我們就不能聲稱我們有磁單極子存在的有力證據(jù)。

宇宙中磁單極子界限的現(xiàn)代約束。

這些是現(xiàn)代被使用的約束條件，來(lái)自于大量的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)主要是由。。。[+]高能中微子天體物理學(xué)：現(xiàn)狀與展望?—?卡茨，英國(guó)等人，核物理局部預(yù)測(cè)。67 (2012) 651–704

關(guān)于宇宙，人類(lèi)還有待探索的未知，包括在能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們?cè)诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)上觀察到的碰撞時(shí)發(fā)生的事情。我們不知道，在某些高能尺度下，宇宙是否真的能產(chǎn)生磁單極子；我們只知道，在我們能探測(cè)到的能量中，我們還沒(méi)有看到它們。我們不知道大統(tǒng)一在早期階段是否是我們宇宙的一種屬性，但我們確實(shí)知道很多：無(wú)論早期發(fā)生了什么，它都不會(huì)使宇宙過(guò)度失衡，也不會(huì)使我們的宇宙充滿這些從高溫稠密狀態(tài)遺留下來(lái)的高能遺跡。

我們的宇宙在某種程度上承認(rèn)磁單極子的存在嗎？這不是我們目前能回答的問(wèn)題。但是，我們可以滿懷信心地說(shuō)：

熱大爆炸早期達(dá)到的溫度有一個(gè)上限，

這一限制是由對(duì)必須由膨脹產(chǎn)生的引力波觀測(cè)的限制所設(shè)定的，

如果大統(tǒng)一與我們的宇宙有關(guān)，它只允許發(fā)生在超過(guò)這個(gè)極限的能量尺度上。

這意味著，如果存在磁單極子，它們需要有非常高的靜止質(zhì)量：大約1015GeV或更高。

從暗示磁單極子可能存在的一條實(shí)驗(yàn)線索落到我們的膝上至今已經(jīng)將近40年了。然而，在第二條線索出現(xiàn)之前，我們所能做的就是嚴(yán)格限制這些假設(shè)的單極子不允許隱藏的位置。

BY: Starts With A Bang

FY: Jane

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