有一种美，叫对称美！在生活中美，在自然界美，甚至在物理学中也美。人们向往它，追求它，但是事实总是跟我们预期的不同。我们有电荷、有电场；有质荷、有引力场；有磁场，但没有磁荷（磁单极子）！这种不对称让追求完美的人类，急得牙痒痒。 今天就说下自然界的不对称，宇宙中会有磁单极子吗？这也能顺便回答：为什么一块磁铁掰两半会同时拥有南北极？

为什么说磁力和引力、库仑力不对称

在宇宙乃至自然界，尤其是在科学中，基本的对称性造就了大量物理过程的基础。在万有引力中，两个质量（能量）物体之间施加的力，其大小相等而方向相反。这就体现了自然界对称性！

(资料图片)

从上图就可以看到，引力公式和静电力公式在形式上完全一样，很工整。而且对于两个电荷粒子来说，力也是一样的（大小相等方向相反），唯一不同的是电荷比质量（质荷）多了一个符号（负电荷），因此电场力可以向内，也可以是向外的。这也体现了对称性！另外电力与另一种力的关系非常密切，那就是磁力。

磁力跟电力很像，电力有有正电荷和负电荷，而磁有南极和北极，它们都是同性排斥，异性相吸。但是，磁力在一个特殊的方面与电力有着本质上的不同：

在电力中，不管是正负电荷我们可以把它们组合在一起，也可以让一个单独的正电荷或一个单独的负电荷独立的存在。 但在磁力中，多个磁极可以配置在一起形成磁铁，但不可能存在一个孤立的“北极”或“南极”。也就是说，你把磁铁掰开，不会分成一个北极和一个南极，而是分开的磁铁会同时拥有南北极。

物理学中，相反的电荷或者两极结合在一起时，我们就叫它偶极子，当一个单独的电荷存在时，我们就叫它单极子。

引力的单极子很简单：它只是一个质量或者叫它质荷。电力的单极子也很简单：任何带电荷的基本粒子，比如电子或夸克，都是单极子。

那么磁单极子是否存在呢？据我们所知，它们并不存在，至少我们没有发现它们。磁极子貌似总是以偶极子的形成存在！如果宇宙中存在磁单极子，我们的宇宙将会大不相同。为什么这么说呢？首先我们看下电和磁是怎么联系在一起的！

电和磁之间有什么关系？

我们知道电荷移动起来就叫电流，有了电流就会产生一个垂直于电荷运动方向的磁场。一根有电流通过的直线导线，就会在电流导线周围产生一个环形磁场，如果我们把载流导线弯成环形或线圈，就会在导线内部产生一个磁场。

也就是说，电流会产生电场，电场会感生出磁性场！那么反过来可行吗？1831年法拉第就发现，如果我们在一个线圈内部施加一个变化的磁场，磁场就会产生电场，电场就会导致线圈中电荷发生移动，并产生电流！这就是电磁感应原理。这也说明了物理定理的对称性。

如果存在磁单极子，麦克斯韦方程则大不相同

自然界中可以有电荷，电流和电场，但是就是没有磁荷或磁流，只有磁场。我们可以改变磁场使电荷运动，但不能通过改变电场使磁荷运动，因为根本就没有磁荷。

换句话说，宇宙的电磁特性之间存在着根本的不对称性。这就是为什么“E”和“B”场（电场和磁场）在麦克斯韦方程中的形式看起来也不同。

不用看懂这些方程，我们就能看出电场和磁场方式的不对称，原因是电荷(ρ和Q)和电流(J和I)存在，但与它们对应的磁性物不存在。

但是如果磁荷和磁流确实存在呢？一个多世纪以来，物理学家们一直在思考这个问题，如果磁单极子存在的话，我们可以把麦克斯韦方程的样子写下来，下面是它的微分形式。

左边是之前方程的积分形式，稍微变化了一点；有点是磁单极子存在的方程式。

除了一些基本常数以外，新方程看起来非常对称！我们可以通过改变电场来让磁荷运动，产生磁流。

寻找磁单极子

20世纪30年代，狄拉克曾对磁单极子进行过研究，人们当时普遍认为，如果它们真的存在，肯定应该会留下一些蛛丝马迹。但是并没有任何磁单极子存在的证据，也很难通过实验手段去证明它们的存在。

这种情况在20世纪70年代开始发生了稍微的改变。当时人们正在提出大统一理论，或者说是一个认为自然界更为对称的观点。

今天，宇宙的对称性可能被严重的破坏了，导致我们的宇宙有四个独立的基本力，但也许这四种力都以某种高能量统一为一种独特的力？所有这些理论的其中的一个结果都预示着，在标准模型外有新的高能粒子存在，并在许多不同的形式下，磁单极子被预测可能存在。

物理学家一直以来对寻找磁单极子都充满着热情，因为在人们心中有追求对称美的倾向，再加上这些提出的新理论更是引起了人们对寻找磁单极子的兴趣。所以在20世纪70年代，人们一直在寻找它们，最著名的一次实验是由布拉斯·卡布雷拉的物理学家领导的实验。他用一根长金属丝绕了八个环路线圈，这样就能测量通过金属丝的磁通量。如果一个磁单极子通过了线圈，就会得到正好八个磁单极子的信号。但如果是一个标准的磁偶极子穿过线圈，就会得到一个+8信号紧接着是一个-8信号，这样就能把单极子和偶极子区分开来。

布拉斯·卡布雷拉的磁单极子探测器。

这个装置在起初的运行期间，偶尔会在其中一个回路上发出信号，有时两个回路会同时发出信号，但这种情况比较罕见。可是我们需要的是8个磁单极子信号才能证明磁单极子的存在。但是该仪器从未检测到三个或三个以上的信号。实验进行了几个月，并没有取得成功。在1982年2月14日那天，卡布雷拉惊奇地发现电脑和设备上准确地记录了8个磁单极子信号。

这一发现在科学界中顿时引起了轰动，也让其他物理学家产生了极大的兴趣。随后人们建立更加巨大的设备，线圈表面积和环路增加了几倍，但是另外一个磁单极子从未被观察到。

也许是卡布雷拉实验中出现了一个罕见小故障，或者是宇宙中唯一一个磁单极子恰好通过了卡布雷拉的探测器！卡布雷拉的实验无法被其他科学家复制，而科学需要的正是在实验中重复性的验证一个结果。因此卡布雷拉的实验宣布无效，我们并没有发现磁单极子！如今，人们一直在寻找磁单极子的踪迹。

总结：宇宙可能就是这样，缺乏对称美

虽然对称性是美丽的，我们也向往一些事物，包括物理理论在内具有对称美。但是，大自然就是在所有的层次上不对称，我们的宇宙就是这样。与其让我们的天性引导我们误入歧途，还不如坦然的接受宇宙本来的样子。如果宇宙真的不存在磁单极子，你把磁铁掰稀碎，还是以偶极子的形成存在。