磁单极子的存在性问题.doc

磁单极子的存在性问题 　《自然杂志》１９卷４期的?‘探索物理学难题的科学意义的?９７个悬而未决的难题：９３．自然界手征不对称起源的关键是什么？?６９．磁单极是否存在？ 关于科学美的层次和分类，哈奇森认为，科学家感知的美的对象分别处于抽象程度不断增加的三个层次中.位于最低层次上的对象是构成科学题材的那些实体和现象，例如星星在夜空中以高度的多样性中的一致性排列.第二个抽象层次上的对象是自然定律，它在现象中不能直接看到，但是在理论提出的模型或阐明中变为明显的对象.第三个是数学定理和科学理论本身.在这里，他实际上区分了现象美和理论美.杨振宁建议，存在三种美：现象之美，理论描述之美，理论结构之美.当然，像所有这一类讨论一样，它们之间没有截然明确的分界线，它们之间有重叠，还有一些美的发展，人们发现很难把它们归入哪一类.科学美主要体现在实验美、理论美和数学美三个方面.实验美包括实验现象之美、实验设计之美、实验方法之美、实验结果之美.理论美分为描述美、结构美和公式美.数学美包括理论的数学表达的质朴美、和谐美和涵盖美.引用一下迪昂对于结构美的描绘： 秩序无论在那里统治，随之都带来美.理论不仅使它描述的物理学定律更容易把握、更方便、更有用，而且也更美.追随一个伟大的物理学理论行进，看看它宏伟地展现了它从初始假设出发的规则的演绎，看看它的推论描述了众多的实验定律直至最小的细节，人们不能不被这样的结构之美而陶醉，不能不敏锐地感到这样的人的心智的创造物是真正的艺术品. （1） （2） 对于任何一对各携带一个基本电荷e且相距一定距离的粒子，根据(1)式，令，我们可得电相互作用能为 （3） 类似地，对于任何一对各携带一个基本磁荷Φ0且相距一定距离的粒子，根据(2)式，令，我们可得磁相互作用能为 （4） 如果任何一对各携带一个基本电荷e的粒子之间的距离和任何一对各携带一个基本磁荷Φ0粒子之间的距离相等，那么由(1)、(2) ；(3)、(4)式可得 （5） 这就是说，一对各携带一个基本磁荷Φ0粒子之间的相互作用力约是一对各携带一个基本电荷e的粒子之间的相互力的1174倍，相互作用磁力比相互作用电力大103数量级；静磁能远远大于静电能，相互作用磁能比相互作用电能大103数量级.所以，我们可以说静电力相对静磁力；静电能相对静磁能而言，仅仅是一个微扰力而已.这一结果物理意义极其深远. 右手坐标系中的经典电动力学中， 波动性的Maxwell方程组： 其中， 粒子性的Lorentz方程： 我们在上述方程中采用下标和来表示一个物理量的电性或磁性.在经典电动力学方程中，总是电-磁二元方程组为一个独立整体方程，上述的这样的三个独立二元方程组构成了经典电动力学的核心方程集. 有趣的是，当我们把波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程结合的时候，表示一个物理量的电性或磁性的下标或就自动消失的同时，得到了一个普遍适用的波粒二象性的动力学方程： 左手坐标系中的经典磁动力学中波动性的Maxwell方程组： 其中， 粒子性的Lorentz方程： 同样，在经典磁动力学方程中，也是磁-电二元方程组为一个独立整体方程. 类似地，当我们把波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程结合，就能得到如下的普遍适用的波粒二象性的动力学方程： 如果选择四维时-空几何模型重新描写上述经典电动力学和经典磁动力学方程就会显得更自然了.波动性的Maxwell方程组和粒子性的Lorentz方程联合起来才能完整阐述电磁理论——表明了经典电磁理论是一种凸现了电荷或磁荷的波粒二象性唯象的理论.经典电磁理论内蕴的Einstein相对论也是一种包含了波粒二象性的理论.相形之下，经典Newton 动力学则是没有波粒二象性的典型的粒子理论.这就是为何经典电磁理论以及相对论可以自然地和量子力学结合，产生出量子电动力学和量子磁动力学等等；而经典Newton 动力学则和量子力学格格不入，除非经过根本改造否则和量子力学在本质上无法相容. 当两个粒子之间的距离和粒子本身的波长在同一个数量级的时候，微观的量子力学就取代了宏观的经典电磁力学.任凭何人，只要利用，就能巧妙地逃避了量子电动力学和量子磁动力学无穷大发散的恶魔. 这个时候，粒子对携带的的Planck能量为 （6） 分别把（3）、（4）式和（6）式结合，则可得电相互作用常数和磁相互作用常数分别为