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…     

统一场论中的磁单极

本文的主要目的是介绍磁单极理论的基本结果。 我们首先介绍Dirac磁单极的基本思想。然后,进一步评述统一场论中的拓扑磁单极,并说明磁单极在早期宇宙中是怎种产生的。最后,我们讨论磁单极问题上最惊人的现象——磁单极对核子衰变的催衰化作用及其温度依赖关系。     

统一场论中的磁单极

本文的主要目的是介绍磁单极理论的基本结果。 我们首先介绍Dirac磁单极的基本思想。然后,进一步评述统一场论中的拓扑磁单极,并说明磁单极在早期宇宙中是怎种产生的。最后,我们讨论磁单极问题上最惊人的现象——磁单极对核子衰变的催衰化作用及其温度依赖关系。     

磁单极

在经典电动力学的麦克斯韦方程组中,·D=σf,而·B=0。这意味着和电荷相应的磁荷(磁单极)不存在。因而,在经典的麦克斯韦电磁理论中,电和磁并不处在完全对称的地位。对此,人们不很满意。如果自然界有磁荷存在,那么只要假定所有粒子的磁荷一电荷比是同一常数,总能通过适当的数学变换使麦克斯韦方程组仍具有目前这种形式。 近代对磁单极的讨论始于1931年Dirac的一篇文章[1]。Dirac指出:如果自然界有磁荷存在,则任何粒子的电荷就必须是量子化的,即必须是电子电荷的整数倍。1974年,A,M.polyakov(苏联)和G.t’Hooft(芬兰)又指出:磁单极的质量…     

电磁学与电动力学中的磁单极-Ⅱ

本系列文章一共4篇,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.本篇文章主要介绍狄拉克磁单极是如何展示矢量势的规范变换的.我们首先简要介绍规范变换与规范对称性及狄拉克磁单极与狄拉克弦,然后讨论狄拉克磁单极与规范变换的联系.我们显式演示狄拉克弦摆动产生的规范变换,弦摆动区域对场点所张的立体角正比于规范变换的变换函数.磁偶极子则可以由两个无穷靠近的正反狄拉克磁单极构成.相应两条狄拉克弦位置的变化都对应磁偶极子矢量势的规范变换,特别当两条弦重合时弦效应相互抵消,只剩下纯的磁偶极子.传统的由磁偶极子产生的矢量势的规范变换则可以图像化为组成磁偶极子的正反狄拉克磁单极的狄拉克弦的摆动.我们显式地计算了位于坐标原点弦为直线的狄拉克磁单极,并进一步构造了没有奇异的吴大峻-杨振宁磁单极.     

双孤子非线性干涉中的狄拉克磁单极势

本文深入研究了孤子干涉过程中的相位演化特性及其背后的拓扑矢势.基于一维非线性薛定谔方程的双孤子解,发现波函数密度零点广泛存在于拓展的复平面内,并且每一个密度零点对应狄拉克磁单极的矢势场.矢势场是由周期排布的具有相反磁荷的狄拉克磁单极对组成.通过观察磁单极子的运动,可以方便地理解干涉过程中的相位演化特征.特别发现,一对正负磁单极对在实轴上的碰撞恰好对应波函数相位在节点处的π跃变.此外,还对比讨论了线性波包干涉动力学中的狄拉克磁单极.结果表明狄拉克磁单极势广泛存在于波场的干涉现象之中,并且磁单极在拓展的复平面内分布特征可用于区分线性干涉和非线性干涉过程背后的拓扑性质.     

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.     

旋转运动磁单极势与辐射能

近来许多工作给出磁单极势与场强的解,其中不少为静止磁单极的球对称解[1].最近的一些工作,讨论了匀加速直线运动磁单极的推迟势与场强[2],此外还给出任意变速运动磁单极势与场强的解[3].本文讨论作旋转运动磁单极的势、场强和辐射能的表示式.磁单极场的势与场强的表示式不同干电荷的场,但具有严格对偶相等的表现形式.至于辐射能,最大的辐射强度将分布在与磁单极旋转平面相垂直的z轴方向,而平行于旋转平面的方向辐射强度为最小. 我们知道,对于一个电荷和一个磁荷共存的体系,真空中的Maxwell方程可写成上式用四维电磁场张量可改写为式中民占…     

电磁学与电动力学中的磁单极—Ⅲ

本文为作者磁单极系列文章的第3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.在本篇文章中作者通过一个实例显示有磁单极存在的点电荷系统的作用量涉及磁单极的部分在物理区域是不存在的,但在以物理区域为边界的高维非物理区域可以存在,考虑量子力学则要求点电荷必须是量子化的.     

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.     

磁单极与磁洛伦兹力

概述了磁单极概念的历史发展,从洛伦兹变换出发,利用电磁场张量和四维力的协变性以及电荷相对论不变,直接证明了运动磁单极受磁洛伦兹力,建议了一个磁洛伦兹力的验证方案,并用磁洛伦兹力公式导出狄拉克电荷量子化条件．证明了磁洛伦兹力公式具有与库仑定律相同的精确度．     

真的看到了磁单极吗?!

1982年2月美国斯坦福大学的B·Cabrera“看到了磁单极”(参见本刊1982年第8期第509页)。 1983年11月21日出版的 Physical　 Review Letters上面登载了Cabrera和他的几位同事们的新实验工作情况:他们制造了一个灵敏度更高的探测器,探测器的核心部分由三个同心但互相垂直的圆超导线圈所组成.和1982年实验的原理一样,如果有磁单极通过,则将引起线圈内磁通量的变化,从而导致超导线圈中电流强度的变化.但经过五个月的操作,没有发现磁单极通过该装置的迹象.最后的实验结果表明,每秒钟内通过地球表面每单位立体角、每平方厘米的磁单极数必定不大…     

关于磁单极质量的一点讨论

本文应用旋量磁单极的观点,用一个具体例子说明在负能解的情况下给出的磁单极质量可以较一般理论算出的10⁴GoV数量级为小。如果进一步选择参量也许可以得到更小一些的磁单极质量。     

电磁学与电动力学中的磁单极-I

本文及后继三篇文章在电磁学和电动力学框架内分别介绍磁单极的若干奇特性质.针对由一个磁单极和一个点电荷构成的体系,首先证明这个体系的电磁场角动量具有极简洁的表达式并讨论可能的电荷量子化,然后显式地演示体系角动量的转化与守恒.     

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.     

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.     

三维流形上的变型Seiberg─Witten磁单极方程

给出了一般三维流形上变型的Seiberg–Witten磁单极方程,该方程是共形不变的,而且在欧空间上给出了一个有限能量的解析的精确解.     

点电荷在拓扑绝缘体和导体中感应磁单极

利用电势和磁标势的第一类零阶贝塞尔函数的公式及拓扑绝缘体材料的本构关系, 推导了点电荷在电介质、 拓扑绝缘体和接地导体三个区域的感应电势及感应磁标势. 研究表明: 点电荷 在电介质、 拓扑绝缘体和接地导体中感应了像电荷和像磁单极; 感应像电荷和感应像磁单极的大小和正负除了与场源电荷、 拓扑绝缘体材料参数等因素有关外, 还与像电荷和像磁单极所处的空间位置有关.     

磁单极场中的空间转动对称性与轨道角动量

对于带电粒子在磁单极场中运动的问题,推广了量子力学中关于空间转动对称性的分析,得到了推广的轨道角动量,结果与其他方法所得一致.波函数在空间转动下的变换比没有磁单极场的情况多了一个相因子.解出了该相因子的显式.要求其在转角为2π的转动下为±1,可以得出熟知的电荷量子化条件.     

电磁学与电动力学中的磁单极—V

作为本系列5篇文章的最后一篇,作者在电磁学和电动力学框架内用尽量科普的方式对比前4篇文章介绍一个磁单极很不奇特的性质.本文主要研究用小电流圈定义的磁偶极子和用正负磁单极对定义的磁偶极子的差别.文章仔细讨论一个在2012年曾在业界引起很多争议的由一个点电荷和一个磁偶极子构成的体系的可能的现象,并展示对这个体系,由正负磁单极对构成的磁偶极子比由电流圈构成的磁偶极子要简单和平庸许多.