磁单极和电磁对偶性

根据狄拉克-麦克斯韦方程组和推广的洛伦兹力公式,讨论了磁单极和电磁对偶性的基本概念和物理意义.麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式可以通过对偶变化转化为电荷与磁荷并存的形式;但是狄拉克磁单极假设改变了麦克斯韦方程组的结构,任何对偶变换都不能将狄拉克-麦克斯韦方程组简化为只有电荷而没有磁荷的原始形式.采用推广的洛伦兹力公式,还证明了狄拉克-麦克斯韦电磁场的能量密度和玻印亭矢量,以及动量密度和动量流张量形式不变.最后,我们还将狄拉克-麦克斯韦方程组分解为仅仅分别包含电荷与磁荷的两组麦克斯韦方程,传统的电动力学理论可以直接推广应用于磁单极问题.     

磁单极子存在吗?

一、关于磁单极子存在的理论依据 1931年P.A M.Dirac[1]在寻求电荷的量子化的解释时,预言了单个磁极的存在,并给出了电荷与磁荷的关系: g=nhc/2e=ne(137/2) =ng.其中h是约化普朗克常数;n是一个非零的整数;c是光速;c表示电荷;g表示磁荷;g0=68.5e是单位磁荷. Dirac的论断对磁单极的理论研究和实验寻找工作起了重要的推动作用.但是许多年里没有一个实验物理学家找到磁单极子存在的证据. 在长期的实验寻找失败之后,在理论研究上却有了若干新的进展.1974年荷兰的G.’tHooft[2]及苏联的A.M.Polyakov各自独立地发现基本粒子相互作用理论(如规范…     

孤立磁极存在吗?

孤立的正、负电荷是存在的。那么孤立的南、北磁荷是否也可能存在呢?通常电磁场方程组在形式上的不对称是否表明人们对电磁现象实质的认识还有某些片面性呢? 一、单磁子存在假设 1931年,狄拉克(Dirac)首先指出[1]:量子力学并不排斥单磁极[以下简称单磁子(monopole)]的存在。而且单磁极的磁荷g与电子电荷e之间有下面的关系:[后来施温格(Schwinger)再次探讨了这个问题[2],他认为这个关系应是:若将n=1时的g记作V。,便有 。P。。-=h(2) 2这就是基本电荷;与基本单磁子磁荷仁。之间的关系.由此式可以估计,p。一1卜竺。3.3x10-·电磁单位. -——-…     

磁单极理论的进展

这是关于磁单极理论最近某些工作的简短 综述.所取得的进展归因于某种观念的引进。 这种观念将时空分为若干个区域,从而消去奇 性 .这个观念是十分简单的,并将首先加以 讨论. (A)如何消除奇性 磁单极就是磁荷.虽然磁单极的概念必然 在经典物理中,在电学和磁学的早期就讨论过, 但是现代的讨论还要追溯到1931年,在狄拉克 的一篇重要文章[1]中,他指出量子力学中的磁 单极显示出某些附加的而且微妙的特征.特别 是,与强度为g的磁单极一起存在时、电荷和磁 荷必须在量子力学中被量子化.我们将用几分 钟的时间对这个结果给出一个新的推导。 如果…     

寻找磁单极子和分数电荷(下)

2.磁单极子 电荷和电偶极子在自然界里比比皆是.但是,实验上从来没有证实过孤立磁荷的存在[1].磁仍极子是十分普通的,但把一个磁偶板子分成两个,并不得到两个相反的磁荷,而是得到两个更小的磁偶极子.电和磁之间的对称性是人们所向往的一件好事情,所以,物理学家们愿意相信,磁单极子(磁荷)是存在的.不过,如果没有确实的实验证明,就无法作出这样的结论. 存在磁单极子的一个有说服力的理论论证,是1931年狄拉克(P.A.M.Dirac)提出来的[2].他考虑在一个磁荷的场中的单个电子,发现量子力学(角动量的量子化)要求基本电荷(e)和基本磁荷(g)之间成立如…     

从麦克斯韦方程组到电磁波方程

<正>麦克斯韦方程组的威名可谓如雷贯耳,是经典电磁学的最高成就。先来看看麦克斯韦方程组的样子:方程组写成以上形式,需要一个前提:空间中的媒质是各向同性的(即,媒质中的每一点的物理性质不随方向改变)。方程组的一式描述了电荷产生电场的高斯定律,二式描述了变化的磁场产生电场的法拉第电磁感应定律,三式描述了磁单极子不存在的高斯磁定律,四式描述了电流和变化的电场产生磁场的麦克斯韦-安培环路定律。有物理意义上的场必定存在物理意义上的源,因此,我们可以发现,麦克斯韦方程组等式的左边是场,     

电磁学与电动力学中的磁单极—Ⅳ

本文为作者磁单极系列文章的第4篇,该系列文章在电磁学和电动力学框架内用尽量科普的方式分别介绍磁单极的若干奇特性质.在本篇文章中作者讨论用拓扑参量θ描写磁电介质,发现在这种介质上出现了电荷与磁单极作为双荷子共生的现象.如果进一步考虑到磁荷与电荷的量子化,则得到此介质的拓扑参量θ必须是π的分数或整数倍.     

读“等效的磁荷观点”有感

文章在假想的“磁荷世界”中修改了麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式.由磁的库仑定律出发,并根据磁荷与电荷产生的电磁场的等效性,得到真空中静磁场的高斯定理和环路定理.仿照“电荷世界”中的电流定义了磁流强度,又根据磁场的相对论变换,由毕奥—萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律得到稳恒电场D的高斯定理和环路定理.     

含磁单极电动力学的电磁对偶对称性自发破缺问题

首先提出了一种认为磁单极的存在将导致电动力学电磁对偶对称性自发破缺的新观点,指出了和这种对称性自发破缺相关联的零质量标量粒子即Goldstone玻子存在的可能性.然后通过对含磁单极电动力学作用量描述困难的分析,提醒读者磁单极的存在给电动力学带来的复杂性和不对称.最后为非高能物理背景的读者提供了两类磁单极即经典场扩展位形类磁单极和点粒子磁单极的概念.     

带有分数电荷、磁单极子和异常光子的SO(10)×SO(8)模型

本文构造了一个SO(10)×SO(8)大统一模型. 它能容纳带分数电荷(例如e/2或e/3)的色单态粒子, 并且满足Dirac量子化条件(当磁荷取值1/2e时). 理论预言了四代通常费米子和四代异常费米子. 特别是模型中存在着不同于通常光子的异常光子, 这此可以在今后的高能实验中去验证.     

磁荷对中子星质量半径比的约束

讨论了荷电(磁)质点的量子力学波方程及其解. 由磁场中解的奇异性讨论了磁单极的存在; 由Rubakov-Callan模型推知中子星可能含有大量磁单极. 然后采用中子星的结构方程, 讨论了磁荷对中子星质量半径比的约束, 分别得到了磁荷对中子星质量半径比上限的影响 和磁荷对中子星质量半径比下限的影响的数学表达式. 关键词： 磁单极 中子星 质量半径比     

看到了磁单极?!

世界上相当一部分优秀的实验物理工作者把大量时间和精力消耗在捕捉一些肉眼看不见,无“色”又无“味”的“粒子”上.虽然这些“粒子”是否存在并无把握,但若一旦发现,则往往会成为物理学史上的一个里程碑,会把人类对物质的认识推进一大步.这就是这类实验令人醉心和关心的原因,而磁单极就是这样的一种“粒子” 大家知道,电荷有正有负,它们均可单独存在,但磁铁总是南、北极同时出现的.然而日常的经验却不一定都是真理.1931年,Dirac根据电磁理论的对称性,大胆地预言了磁单极的存在,并据此推导出电荷以倍数出现的必然性.目前基本粒子的大统一…     

变速运动磁单极场强的各种表式及磁单极势的积分形式

本文给出了加速运动磁单极场强的严格解.从势的积分定义出发导出了静止、匀速直线运动的磁单极势的具体表达式.讨论了加速磁单极势的形式问题.结果表明,在静止情况下得到吴-杨势.匀速运动情况下的势也可以通过Lorentz变换从吴-杨势得到.但加速运动磁单极的势不可能通过Lorentz变换得到.而加速电子的李纳-维谢尔势却可通过Lorentz变换得到.这表明加速磁荷与电荷有着本质的差异.     

球对称的SU_2规范场和磁单极的规范场描述

本文讨论球对称的SU_2规范场,证明了满足最一般的球对称定义的SU_2规范场只能有三种基本类型:(1)同步球对称规范场;(2)狭义球对称规范场;(3)化约为U_1子群的球对称规范场。文中详细讨论了球对称的带同位旋向量场(Higgs场)的SU_2规范场,完全决定了它们的类型。如果把这种场看成为由电磁场和带电矢介子构成,那末就有如下的结论:如果磁单极所含的磁荷是最小单位的m倍,当|m|>1时,球对称的带Higgs场的SU_2规范场只能是纯电磁场,而不能有带电矢介子场出现。但当m=0,±1时,球对称的带电矢介子场是可以出现的。从而可见,具有非单位磁荷的磁单极隐含了某种破坏球对称的因素。     

建立麦克斯韦方程组的其他途径

麦克斯韦方程组是电磁场遵从的基本规律,是经典电磁现象的理论基础.十九世纪六十年代,麦克斯韦根据库仑、安培和法拉第等人分别在特定条件下获得的实验定律,经过分析推广到普遍情形,发现存在着不协调的因素,在此基础上作了两个重要的假设:变化的磁场产生涡旋电场,变化的电场产生涡旋磁场,从而建立了电磁场的统一理论,其基础就是电磁场普遍遵从的麦克斯韦方程组. 在麦克斯韦以后,许多物理学家研究从别的方面建立麦克斯韦方程组的可能性,取得一些成果.本文拟介绍三种建立麦克斯韦方程组的其他途径:(1)根据能量原理和近距作用原理建立麦克斯韦…     

均匀磁场中的转动导体和麦克斯韦方程组的协变性

对某文献中"形如E=±v×B的电场的非零散度与真实的电荷密度无本质关联"的观点提出商榷,指出它违反麦克斯韦方程组的协变性,而实际情形是电场的散度仍然为0.然后就原文举出的匀强磁场的例子,在匀速转动系中利用曲线坐标系和嘉当(Cartan)随动标架进行了相应的计算,结果表明麦克斯韦方程组的协变性并未被破坏.     

格点QCD研究冷核物理问题的若干最新进展

<正>1.引言现代物理学研究表明,自然界存在四种基本相互作用:引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用(图1)。其中,引力最早为人们所知,1687年牛顿在《自然哲学的数学原理》中首次阐述了万有引力定律;其次为电磁相互作用,1864年麦克斯韦提出了电磁场的基本方程组(麦克斯韦方程组),将电与磁统一起来,并预言了电磁波的存在。引力和电磁力作用于宏观世界,其效应可以在大尺度范围内观测到,所以最早进入人们的视野。20世纪以来,随     

球对称的SU2规范场和磁单极的规范场描述

本文讨论球对称的SU₂规范场,证明了满足最一般的球对称定义的SU₂规范场只能有三种基本类型:(1)同步球对称规范场;(2)狭义球对称规范场;(3)化约为U₁子群的球对称规范场。文中详细讨论了球对称的带同位旋向量场(Higgs场)的SU₂规范场,完全决定了它们的类型。如果把这种场看成为由电磁场和带电矢介子构成,那末就有如下的结论:如果磁单极所含的磁荷是最小单位的m倍,当|m|>1时,球对称的带Higgs场的SU₂规范场只能是纯电磁场,而不能有带电矢介子场出现。但当m=0,±1时,球对称的带电矢介子场是可以出现的。从而可见,具有非单位磁荷的磁单极隐含了某种破坏球对称的因素。     

不可易规范场的对偶荷

本文讨论了不可易SU(2)规范场的各种规范不变物理量——电荷、对偶荷(磁荷)、电磁场以及有质量矢粒子场的表达式与关系,特别是对偶荷(磁荷)与电荷算符同位旋方向的大范围拓扑性质的关系。     

关于相对论量子力学中某些相角不定性的消除

在量子力学的某些问题中,常常存在相角的不定性.最近在研究不动的电中性磁荷与荷电Dirac粒子的散射问题中,风间洋一、杨振宁和Goldhaber为了消除相角不定性,引入了附加磁矩.本文不引入附加磁矩,而利用文章中所建议的调整了的量子力学框架、正交判据和能量的变分原则(不定相角作为变分参数)唯一地确定了相角、散射截面和束缚态.由于结果与[2]的一致,使这些定解原则受到一次检验.利用这些定解原则,解决了荷电磁荷与荷电Dirac粒子及正负磁荷对偶的散射态和束缚态等问题.