磁場(chǎng)無處不在 來了解下關(guān)于磁物理學(xué)的三個(gè)有趣事實(shí)

      磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，磁針可以幫助我們?cè)诓皇煜さ牡胤秸业椒较?，而冰箱貼可以將孩子的畫固定在冰箱門上。除了這些常見的例子，磁場(chǎng)還在宇宙中扮演著重要角色。有時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生重大的影響，比如在危險(xiǎn)的磁星環(huán)境，以及用途很廣的核磁共振掃描儀。不過，在大多數(shù)情況下，磁場(chǎng)只是簡(jiǎn)單地存在，并受到其他更強(qiáng)作用力的影響。雖然不是很起眼，但磁物理學(xué)中還是蘊(yùn)含著一些鮮為人知的秘密。
     磁力源于運(yùn)動(dòng)

      帶有電荷的單個(gè)粒子，盡管什么都不做，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)圍繞在粒子周圍，會(huì)引導(dǎo)其他帶電粒子做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。如果附近有一個(gè)帶同樣電荷的粒子，那它就會(huì)被推開；如果是帶相反電荷的粒子，那二者就會(huì)互相靠近。
      但是，如果你讓這個(gè)電荷運(yùn)動(dòng)起來，就會(huì)發(fā)生令人驚訝的事情：一個(gè)新的場(chǎng)出現(xiàn)了！這個(gè)奇怪的場(chǎng)表現(xiàn)出與眾不同的行為方式：它不是直接指向或遠(yuǎn)離電荷，而是圍繞著電荷旋轉(zhuǎn)，總是垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向。更重要的是，附近的帶電粒子只有在同樣處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，才能感受到這個(gè)新的場(chǎng)，而它感受到的作用力又是垂直于它的運(yùn)動(dòng)方向。

      這個(gè)場(chǎng)也就是我們所說的磁場(chǎng)，它既是由運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生的，同時(shí)也只影響運(yùn)動(dòng)中的電荷。但是，冰箱貼并不會(huì)運(yùn)動(dòng)，它為什么有磁力呢？

      你的冰箱貼磁鐵沒有在運(yùn)動(dòng)，但是構(gòu)成它的物質(zhì)正在運(yùn)動(dòng)。在磁鐵中，每個(gè)原子都具有一層又一層的電子，而電子是具有自旋性質(zhì)的帶電粒子。自旋是一種十分深?yuàn)W而且量子化的特征。為了闡述磁場(chǎng)，我們可以將電子想象成微小的旋轉(zhuǎn)金屬球（當(dāng)然我們都知道，這樣想象嚴(yán)格來說是很不準(zhǔn)確的）。

      這些電子都是運(yùn)動(dòng)中的電荷，而每個(gè)電子都能產(chǎn)生自己的微小磁場(chǎng)。在大多數(shù)物質(zhì)中，電子具有不同的運(yùn)動(dòng)方向，并在宏觀尺度上相互抵消；但是在磁體中，大量的電子會(huì)排列整齊，產(chǎn)生足以將冰箱貼粘附在冰箱上的磁場(chǎng)。

 磁單極子可能存在

      由于我們?cè)谟钪嬷幸姷降乃写艌?chǎng)都是通過運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生的，因此，你永遠(yuǎn)無法將磁北極和磁南極分開，它們永遠(yuǎn)成對(duì)存在。如果你將一塊磁鐵切成兩半，你會(huì)得到兩快磁力變小的磁鐵；它們內(nèi)部的電子依然在不斷運(yùn)動(dòng)，“自動(dòng)地”產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，重新編排北極和南極。

      磁體的這種性質(zhì)眾所周知，以至于英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在他著名的麥克斯韋方程組中，直接斷定“磁單極子不存在”。麥克斯韋闡述了電和磁兩種現(xiàn)象之間的關(guān)系，并引入了電磁場(chǎng)的概念。多年以來，人們一直對(duì)“磁單極子不存在”的觀點(diǎn)深信不疑，但隨著我們開始觀察到神奇而古怪的亞原子世界，隨著科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的了解日益加深，磁單極子又成為物理學(xué)界重要的研究主題之一。量子物理學(xué)的先驅(qū)之一、英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）注意到，在磁單極子假說的數(shù)學(xué)推理中，隱藏著一些有趣的東西。

       讓我們來做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，如果磁單極子存在，并且你將它與一個(gè)普通的電荷配對(duì)，那二者就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)實(shí)際上與距離無關(guān)；無論二者相距多遠(yuǎn)，它們都會(huì)旋轉(zhuǎn)。但狄拉克知道，角動(dòng)量（呈圓圈形式的動(dòng)量，正如電荷和磁單極子互相旋轉(zhuǎn)的情況）是量子化的——我們宇宙中的角動(dòng)量是離散值。一切皆是如此，包括這一對(duì)電荷和磁單極子。

      于是，狄拉克意識(shí)到，如果角動(dòng)量是量子化的，那么這些粒子上的電荷也必須是量子化的。而由于這種作用與距離無關(guān)，因此如果整個(gè)宇宙中存在磁單極子的話，它就會(huì)引起電荷的量子化，這就是“狄拉克量子化條件”。物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電荷量的基本單位為基本電荷，這與磁單極子的存在相符合，但至今仍未證實(shí)磁單極子的存在。

      磁是狹義相對(duì)論的關(guān)鍵

      詹姆斯·麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的電和磁之間的聯(lián)系并不簡(jiǎn)單，他意識(shí)到，二者其實(shí)是同一個(gè)硬幣——電磁學(xué)——的兩面。電場(chǎng)的改變可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，反之亦然。更重要的是，他指出光現(xiàn)象其實(shí)就是電和磁相互擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。

      麥克斯韋將光與電磁學(xué)理論進(jìn)行定量聯(lián)系的創(chuàng)舉被認(rèn)為是19世紀(jì)數(shù)學(xué)物理最偉大的成就之一，也深刻影響了后來的物理學(xué)家，其中就包括愛因斯坦。愛因斯坦將麥克斯韋的工作更進(jìn)了一步，他意識(shí)到電、磁和運(yùn)動(dòng)之間存在聯(lián)系。讓我們從單個(gè)電荷及其電場(chǎng)開始，當(dāng)你跑動(dòng)經(jīng)過它的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么？

      從你的角度來看，電荷似乎才處于運(yùn)動(dòng)之中。那么，運(yùn)動(dòng)中的電荷會(huì)做什么？沒錯(cuò)，它們會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，不僅電場(chǎng)和磁場(chǎng)是同一個(gè)硬幣的兩面，而且你可以通過運(yùn)動(dòng)的方式，使二者發(fā)生轉(zhuǎn)換。這也意味著，不同的觀察者會(huì)看到不同的景象：靜止的觀察者可能會(huì)看到一個(gè)電場(chǎng)，而更具移動(dòng)性的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)由同一來源產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

正是這種思路促使愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論——現(xiàn)代科學(xué)的基石。對(duì)此，我們應(yīng)該首先向磁場(chǎng)表達(dá)謝意。

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