移動的電荷如何產生磁場

19世紀初，人們對電和磁知之甚少。人們知道電荷分為兩種類型，同性電荷排斥，異性電荷吸引，運動中的電荷產生電流。他們還知道永磁體，其中一側充當“北極”，另一側充當“南極”。然而，如果把一塊永磁體切成兩半，不管把它切得多小，永遠不會得到單獨的南極或北極：磁荷只以偶極子結構成對出現。

在整個19世紀，一系列的發現幫助我們理解電磁宇宙。人們開始了解感應：移動的電荷如何產生磁場，以及變化的磁場如何反過來產生電流。我們還了解了電磁輻射，以及加速電荷如何發射各種波長的光。當我們把所有的知識放在一起時，我們知道宇宙在電場、磁場和電荷之間不是對稱的：麥克斯韋方程只包含電荷和電流而沒有磁荷和磁流，我們觀察到的唯一的磁性性質是由電荷和電流引起的。

事實上，如果你愿意的話，很容易從數學修改麥克斯韋方程組，讓它包含基本的磁荷：只需添加物體本身固有的單獨的“北極”或“南極”。當你引入這些額外的項時，麥克斯韋方程組得到了修正，變得完全對稱。突然之間，磁感應也以另一種方式起作用：移動的磁荷會產生電場，而改變的電場會產生磁流，導致磁荷在可以攜帶磁流的材料中移動并加速。

在很長一段時間里，所有這些都只是單純的空想，直到我們開始認識到對稱性在物理學中所扮演的角色以及宇宙的量子性質。非常有可能，在某個更高的能量狀態下，電磁學在電磁分量之間是對稱的，而我們生活在那個世界的低能量、對稱破壞的版本中。

1931年，保羅·狄拉克展示了一些非凡的東西：如果在宇宙的任何地方哪怕有一個磁荷，那么從量子力學角度來說，電荷在任何地方都應該量子化。這很有趣，因為后來觀察到電荷被量化。然而，這些都沒有提供任何證據證明磁單極子確實存在，它只是表明它們可能存在。

在理論方面，量子力學很快被量子化的量子場論所取代。為了描述電磁學，我們引入了一個稱為U(1)的規范群，這個規范群至今仍在使用。在規范理論中，只有當規范群U(1)是緊致的，與電磁學有關的基本電荷才會被量子化。然而，如果U(1)規范群是緊致的，我們仍然會得到磁單極子。再一次，沒有理由認為磁單極子不應該存在。

幾十年來，即使在數學上取得了無數的進步，磁單極子的概念仍然只是停留在理論家的頭腦深處，沒有取得任何實質性的進展。但是在1974年，在我們認識到標準模型的完整結構(在群論中，標準模型是由SU(3)×SU(2)×U(1)描述的)幾年后，物理學家開始考慮統一的想法。

雖然在低能量下，SU(2)描述了弱相互作用，U(1) 描述了電磁相互作用，但在約100GeV的能量下，這兩個相互作用實際統一為電弱理論。在這些能量下，SU(2)×U(1)組合描述了電弱相互作用，這兩種力結合在一起。

那么，是否有可能所有的基本力在高能下統一成一些更大的結構？大統一理論的想法開始出現，更大的規范群如SU(5)、SO(10)、SU(6)等開始被考慮。然而，一些令人不安但令人興奮的后果開始出現。這些大統一理論都預言質子會從根本上穩定下來并衰變，它們會導致磁單極子的存在。

審核編輯：劉清