磁荷

人們假定，在N極上聚集著正磁荷，在S極上聚集著負磁荷。由此可以將磁現象與電現象類比，得出一系列相似的定律，引入相似的概念。例如磁的庫侖定律、磁場強度、磁勢、磁偶極矩等。

安培提出“分子電流”假說，開啟了近代磁學，這實際上是否定了原先流行的磁荷觀點。在分子電流觀點中，磁感應強度B是基本量，而磁場強度H是輔助量；在磁荷觀點中則正好相反。現在科學界普遍認為分子電流觀點更好地揭示了磁現象的本質。

但是在計算磁介質的磁化時兩種觀點是等效的：即無論採用哪種觀點，在自己的體系內進行運算，可以得到同樣的宏觀效果。

由於從正電荷和負電荷定義出發所得到的電磁學和電動力學理論的巨大成功，許多物理學家堅信磁場也應相對應地由磁荷或磁單極子產生。這種假設在無法深究物質的基本粒子組成性的經典物理範疇是合情合理的。一旦將電荷的物質來源歸結到電子和質子后，電場與磁場之間就毫無共同之處。

帶正電的點電荷是其中過剩的正離子（質子）的宏觀表現；帶負電的點電荷是其中過剩的電子的宏觀表現。

經典物理認為：點電荷產生電場，運動的點電荷產生蝸旋磁場。與之對應的現代物理解釋則是：電子（或質子）產生電場，運動的電子（或運動的質子）產生磁場。由此可見，電子的單位負電場的物質來源是電子所具有的單位負電荷，無論電子運動與否，都將產生單位負電場。電子的磁場則完全不同：靜止電子不產生磁場，因此其內部沒有磁場源；運動電子產生蝸旋磁場，因此其內部增加了由外力能量轉換而來的磁場源，並且由這個磁場源所產生的磁場永遠是蝸旋場，根本沒有磁荷或磁單極子存在。由此得到結論：運動電子將加速外力的能量轉換為其內部的磁能物質源（滿足質能轉換定律），該磁源只產生蝸旋磁場。

英國物理學家保羅·迪拉克（Paul Dirac）早在1931年利用數學公式預言了磁單極粒子的存在。當時他認為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那麼理應帶有基本“磁荷”的粒子存在。從而啟發了許多物理學家開始了他們尋找磁單極粒子的工作。通過種種方式尋找磁單極粒子包括使用粒子加速器人工製造磁單極子均無收穫。1975年，美國的科學家利用高空氣球來探測地球大氣層外的宇宙輻射時偶爾發現了一條軌跡，當時科學家們分析認為這條軌跡便是磁單極粒子所留下的軌跡。1982年2月14日，在美國斯坦福大學物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣稱他利用超導線圈發現了磁單極粒子，然而事後他在重複他先前的實驗時卻未得到先前探測到的磁單極粒子，最終未能證實磁單極粒子的存在。因此不少科學家認為磁極在宇宙中總是南北兩極互補分離，成對的出現，對磁單極粒子的存在質疑。也有理論認為，磁單極粒子不是以基本粒子的形式存在，而是以自旋冰(spin ice)等奇異的凝聚態物質系統中的出射粒子的形式存在。

這是一種到目前為止還基本上只是存在於理論之中的物質，如果找到了它們，不僅現有的電磁理論要作重大修改，而且物理學和天文學的許多基礎理論也都將得到重大發展。

磁單極粒子作為物質的基本構成，它的單獨存在可能非常困難，或者可能極其微弱以致無法測量，從二元論的角度分析可能會更合理些，如純的吸引性粒子和純的排斥性粒子，曾經作過廣泛的探查，而且每當粒子加速器開拓新能區或發現新的物質源（例如從月球上取來岩石）都要重新進行磁單極粒子的的搜索。1982年採用超導量子干涉器件磁強計探測到一起磁單極粒子的事例，但還不足以肯定其存在。

在磁單極粒子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極粒子學說外，還有其他一些科學家也曾提出過多種的學說，各有其特點和根據。如著名的美籍義大利物理學家費米也曾經從理論上探討過磁單極粒子，並且也認為它的存在是可能的。華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等一些著名的科學家，也從不同方面和不同程度地對磁單極粒子理論做出了補充和完善。它們彌補了狄拉克理論中的一些缺陷和不足，給磁單極粒子的設想輔以更堅實的理論基礎。

在經典電磁理論中，磁是由電流和變化的電場產生的，磁南極和磁北極總是同時存在的，不存在磁單極子。如果我們將帶有磁性的金屬棒截斷為二，新得到的兩根磁棒則會“自動地”產生新的磁場，重新編排磁場的北極、南極，原先的北極南極兩極在截斷磁棒後會轉換成四極各磁棒一南一北。如果繼續截下去，磁場也同時會繼續改變磁場的分佈，每段磁棒總是會有相應的南北兩極。

1931年P.A.M.狄拉克從分析量子系統波函數相位不確定性出發，得出磁單極子存在的條件，可用以說明電荷量子化這個理論上無法說明的事實。20世紀70年代以後建立起來的大統一理論以及早期宇宙的研究都要求存在磁單極子，磁單極子的質量重達1016吉（）。實驗上探測磁單極子成為檢驗粒子物理大統一理論和天體物理宇宙演化理論的重要依據。一些大統一理論也預言了磁單極子的存在：不同於基本粒子，磁單極子是孤波（局域能量包）。使用這些模型去估計大爆炸中產生的磁單極子的數目，得到的最初結果與對宇宙的觀察結果相矛盾--磁單極子是如此的多而巨大，它們甚至可以阻止宇宙的膨脹。然而宇宙暴漲理論(也是這個理論被提出的原因之一)成功地解決了這問題。這個理論建立了一個模型，使得磁單極子在宇宙中存在，但數量極少的能夠與實際觀測相符合。

磁單極粒子理論自提出以來迄今，已逾半個多世紀，長期不能被證實，也不能被否定，這在科學史上是罕見的，因為一般的科學假設如果在這麼長的時間內未被證實，人們就會將此假設否定或放棄。那麼，對於經歷了大半個世紀的探尋，基本上可以說是沒有什麼突破性進展的磁單極粒子，人們是否最終也同樣會放棄尋找呢？

在對磁單極粒子進行尋找的過程中，人們“收穫”到的總是一次又一次地失望。不過，在一次又一次沉重、濃郁的失敗的晦暗中間，也曾不時地閃現過一兩次美妙的希望曙光。

有一些物理學家認為，磁單極粒子對周圍物質有很強的吸引力，所以它們在感光底板上會留下又粗又黑的痕迹。根據這一特點，1975年，美國的一個科研小組，用氣球將感光底板送到空氣極其稀薄的高空，經過幾晝夜宇宙射線的照射，發現感光底板上真的有又粗又黑的痕迹，他們欣喜若狂，於是迫不及待地在隨後召開的一次國際會議上聲稱，他們找到了磁單極粒子。但是，對於那是否真的是磁單極粒子留下的痕迹，會上爭論很大，大多數科學家認為那些痕迹很明顯是重離子留下的，但試驗者還是堅持認為那是磁單極粒子留下的“傑作”。雙方為此展開了激烈的爭論，誰也說服不了誰。所以，到目前為止，這些痕迹到底是誰留下的，還是樁難以了斷的“懸案”。

1982年，美國物理學家凱布雷拉宣布，在他的實驗儀器中發現了一個磁單極粒子。他採用一種稱為超導量子干涉式磁強計的儀器，在實驗室中進行了151天的實驗觀察記錄，經過周密分析，實驗所得的數據與磁單極粒子理論所提出的磁場單極粒子產生的條件基本吻合，因此他認為這是磁單極粒子穿過了儀器中的超導線圈。不過由於以後沒有重複觀察到類似於那次實驗中所觀察到的現象，所以這一事例還不能確證磁單極粒子的存在。

最近，一組由中國、瑞士、日本等多國的科學家組成的研究小組報告說，他們發現了磁單極粒子存在的間接證據，他們在一種被稱為鐵磁晶體的物質中觀察到反常霍爾效應，並且認為只有假設存在磁單極粒子才能解釋這種現象。德國亥姆霍茲聯合會研究中心的研究人員在德國德累斯頓大學、聖安德魯斯大學、拉普拉塔大學及英國牛津大學同事的協作下，首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實際材料中出現的過程。該研究成果發表在9月3日出版的《科學》雜誌上。

科學家們曾通過種種方式尋找磁單極子，包括使用粒子加速器人工製造磁單極子，但均無收穫。此次，德國亥姆霍茲聯合會研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應堆中進行了一次中子散射實驗。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結晶成相當顯著的幾何形狀，也被稱為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實材料內部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式義大利麵條”，此名得自於偶極子本身的次序。如此一個可控的管(弦)網路就可通過磁通量的傳輸得以形成，這些弦可通過與自身攜帶磁矩的中子進行反應觀察到，於是中子就可作為逆表示的弦進行散射。在中子散射測量過程中，研究人員對晶體施加一個磁場，利用這個磁場就可影響弦的對稱和方向，從而降低弦網路的密度以促成單極子的分離。結果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見的，並在其兩端出現了磁單極子。研究人員也在熱容量測量中發現了由這些單極子組成的氣體的特徵。這進一步證實了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。

特別值得一提的是，科學家雖然在實驗上尋找磁單極粒子時總是“掃興而歸”，但在預言磁單極粒子存在的理論卻不斷有創新。如海嘯是一種駭人的自然現象，它常常導致海洋中產生一種異常穩定的孤立波，即孤立子。這種孤立子在波濤洶湧的大海中幾乎不受其它任何外來事物的干擾，永葆自己的波形和能量，不停地湧向遠方。前蘇聯物理學家鮑爾雅科夫和荷蘭科學家特霍夫脫在對弱力和電磁力的關係進行研究時發現，在弱電場(弱力和電磁力是這種場的不同表現)中，會發生“場嘯”，每次場嘯將產生與孤立子類似的粒子，他們認為這種粒子極有可能就是磁單極粒子。

• 弦理論

• 阿哈諾夫－波姆效應

• 楊-米爾斯理論

• 吳-楊磁單極子