拿一根金屬棒，把所有的電子都引到一端，這時(shí)金屬棒的電場(chǎng)是一個(gè)偶極場(chǎng)?，F(xiàn)在把金屬棒切成兩半，我們會(huì)得到一對(duì)電荷：一半是負(fù)電荷，另一半是正電荷，這兩個(gè)電荷都有直接向外輻射的電場(chǎng)。
現(xiàn)在再拿一根金屬棒，用磁鐵磁化它，我們會(huì)得到一個(gè)與偶極子電場(chǎng)非常相似的偶極子磁場(chǎng)。但如果我們?cè)侔堰@個(gè)金屬棒分成兩半，每一半的末端仍然是北極和南極，仍然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偶極場(chǎng)。根據(jù)經(jīng)典的電磁學(xué)，無(wú)論對(duì)金屬棒切割多少次都沒(méi)有關(guān)系，我們永遠(yuǎn)不會(huì)得到孤立的磁荷，也就是磁單極子。
早在1269年，法國(guó)學(xué)者Petrus Peregrinus de Marincourt首次進(jìn)行了這項(xiàng)磁體切片實(shí)驗(yàn)，這是在我們知道磁體產(chǎn)生原理之前。如今，我們知道磁性從何而來(lái)，我們對(duì)減半的磁鐵會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)更小的磁鐵并不感到驚訝。在鐵磁體中，磁場(chǎng)是磁鐵原子中無(wú)數(shù)微小排列的電子偶極子場(chǎng)的總和。產(chǎn)生偶極子磁場(chǎng)的另一種流行方法是電磁體，根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，移動(dòng)電荷是磁場(chǎng)的來(lái)源。
經(jīng)典理論
磁單極子的不存在被編入經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)中，特別是高斯磁定律（麥克斯韋四個(gè)方程之一），它表明磁場(chǎng)的散度為零。散度是一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，它描述的是向量場(chǎng)中里的一個(gè)點(diǎn)是源還是匯，零散度意味著沒(méi)有源也沒(méi)有匯。根據(jù)這條定律，我們知道沒(méi)有磁單極子的存在。
另一方面，電場(chǎng)的高斯定律告訴我們，電場(chǎng)的散度不為零，它與電荷密度成正比。該電荷是電場(chǎng)線(xiàn)可以結(jié)束的地方——它形成了它們的源或匯，所以有諸如孤立電荷之類(lèi)的東西。如果我們快速瀏覽一下麥克斯韋方程組，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電和磁不是對(duì)稱(chēng)的。如果我們向方程中添加磁荷這樣的東西，也可以在這些方程之間具有對(duì)稱(chēng)性。
物理學(xué)家默里·蓋爾曼說(shuō)：“所有不被禁止的都是強(qiáng)制性的?！边@意味著如果物理理論的數(shù)學(xué)允許它的存在，那么它就存在于自然界中。麥克斯韋方程中沒(méi)有任何東西真正表明磁單極子不存在，除了麥克斯韋將磁荷設(shè)為零這一事實(shí)，因?yàn)樗幌嘈潘嬖?。但原則上磁單極子可以存在，至少根據(jù)經(jīng)典理論。
量子理論
量子力學(xué)呢？通過(guò)用量子場(chǎng)而不是電荷和力的方式來(lái)解釋?zhuān)瑥氐赘淖兞宋覀儗?duì)電磁學(xué)的理解。偉大的物理學(xué)家保羅·狄拉克有一個(gè)習(xí)慣，就是盯著數(shù)學(xué)就發(fā)現(xiàn)粒子。正如我們之前文章中討論的那樣，他在1928年以這種方式預(yù)測(cè)了反物質(zhì)的存在。但隨后在1931年，就在他的反物質(zhì)得到驗(yàn)證之前，狄拉克做出了另一個(gè)預(yù)測(cè)——磁單極子的存在。
他的論點(diǎn)是這樣的：從偶極子磁場(chǎng)開(kāi)始，可以通過(guò)將兩端分開(kāi)足夠遠(yuǎn)并以某種方式消失連接的磁力線(xiàn)來(lái)近似單極子。有一種方法可以做到這一點(diǎn)，一個(gè)同電的螺線(xiàn)管會(huì)得到一個(gè)偶極場(chǎng)，其連接場(chǎng)線(xiàn)被限制在線(xiàn)圈內(nèi)。所以使線(xiàn)圈的寬度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度，它看起來(lái)就像兩個(gè)孤立的磁荷。這種構(gòu)造被稱(chēng)為“狄拉克弦”，狄拉克的論點(diǎn)是，如果狄拉克弦的弦部分從根本上無(wú)法探測(cè)到，那么磁單極子就可以存在。
論點(diǎn)的第二部分是在什么條件下無(wú)法檢測(cè)到該弦。磁場(chǎng)會(huì)影響帶電粒子，在量子力學(xué)中，這是通過(guò)改變粒子波函數(shù)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。想象一個(gè)帶電粒子經(jīng)過(guò)狄拉克弦，比如一個(gè)電子。要繪制該軌跡，需要將電子的所有可能路徑相加，包括在弦上向左和向右的路徑。弦的存在及其磁場(chǎng)應(yīng)該會(huì)根據(jù)電子通過(guò)弦的哪一側(cè)引入不同的相移，這實(shí)際上會(huì)對(duì)電子的路徑產(chǎn)生明顯的影響。換句話(huà)說(shuō)，該弦將是可檢測(cè)的。
但是有一種情況是永遠(yuǎn)無(wú)法檢測(cè)到弦：相移的量與電荷成正比。對(duì)于該電荷的值，在弦的不同側(cè)之間引起的相移恰好是一個(gè)波周期。這意味著沒(méi)有可觀察到的差異，所以對(duì)于狄拉克弦是不可檢測(cè)的，最終電荷只能以基本電荷的整數(shù)倍存在。另一方面，這被認(rèn)為是對(duì)電荷量子化的預(yù)測(cè)，只要整個(gè)宇宙至少有一個(gè)磁單極子，電荷就必須是離散的。當(dāng)然，我們知道電荷確實(shí)是量子化的，它只能是電子電荷的整數(shù)倍，
但是，與其將其作為電荷量化的預(yù)測(cè)，我們還可以將其翻轉(zhuǎn)：如果電荷被量化，磁單極子的存在就是可能的。電荷被證明是量子化的，所以量子力學(xué)實(shí)際上并不禁止單極子。
大統(tǒng)一理論
讓我們快進(jìn)40年。在1970年代初，物理學(xué)家設(shè)法解釋弱力并將其與電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)。解決這個(gè)問(wèn)題后，物理學(xué)家們正在努力通過(guò)所謂的大統(tǒng)一理論將強(qiáng)力納入其中，這些理論涉及復(fù)雜的對(duì)稱(chēng)性破壞。事實(shí)證明，磁單極子在所有大統(tǒng)一理論中都是不可避免的。
在電弱理論中，希格斯場(chǎng)是一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，它到處都有兩個(gè)復(fù)雜的值，這兩個(gè)“自由度”的相互作用賦予了希格斯粒子質(zhì)量。在最簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論中，希格斯場(chǎng)有三個(gè)自由度而不是兩個(gè)。這意味著場(chǎng)可以有點(diǎn)像矢量，即使它真的不是矢量。它可以有一個(gè)指向特定方向的內(nèi)部箭頭——不是指向物理空間，而是指向這三個(gè)自由度的空間。
1974年，Gerard t’Hooft 和 Alexander Polyakov同時(shí)提出，希格斯場(chǎng)的某些點(diǎn)可以形成一些結(jié)——場(chǎng)箭頭的指向都遠(yuǎn)離那個(gè)點(diǎn)，這些是拓?fù)洳贿B續(xù)點(diǎn)，不能通過(guò)空間的平滑變形來(lái)移除的點(diǎn)。事實(shí)證明，在大統(tǒng)一理論中，希格斯場(chǎng)中的這些結(jié)表現(xiàn)為帶有磁荷的粒子——磁單極子，它們應(yīng)該是非常大的，并且應(yīng)該在極高能量的環(huán)境中自發(fā)形成，例如在非常早期的宇宙中。
這些理論預(yù)測(cè)存在磁單極子是令人興奮的，但確實(shí)也存在問(wèn)題。因?yàn)檫@些理論預(yù)測(cè)，在很早的宇宙中應(yīng)該會(huì)大量產(chǎn)生磁單極子，與質(zhì)子和電子一樣多，那么它們現(xiàn)在在哪里呢？并且它們也應(yīng)該非常大，是質(zhì)子質(zhì)量的千萬(wàn)億倍，因此應(yīng)該迅速重新坍縮宇宙。
實(shí)驗(yàn)
早在1982年，物理學(xué)家Blas Cabrera Navarro 在他的斯坦福實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)超導(dǎo)線(xiàn)圈，并設(shè)法探測(cè)到狄拉克預(yù)測(cè)的磁單極子，但未能成功。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上也有幾個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，同樣也未能發(fā)現(xiàn)磁單極子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的能量比大統(tǒng)一理論預(yù)測(cè)的產(chǎn)生單極子所需的能量低約1000 億倍。人們還尋找來(lái)自太空的磁單極子，但同樣，目前還沒(méi)有令人信服的證據(jù)。
