对称性与磁单极子

文章来源：物理研究更新

原文作者：Ethan

19世纪初，人们对电和磁知之甚少。人们知道电荷分为两种类型，同性电荷排斥，异性电荷吸引，运动中的电荷产生电流。他们还知道永磁体，其中一侧充当“北极”，另一侧充当“南极”。然而，如果把一块永磁体切成两半，不管把它切得多小，永远不会得到单独的南极或北极：磁荷只以偶极子结构成对出现。

在整个19世纪，一系列的发现帮助我们理解电磁宇宙。人们开始了解感应：移动的电荷如何产生磁场，以及变化的磁场如何反过来产生电流。我们还了解了电磁辐射，以及加速电荷如何发射各种波长的光。当我们把所有的知识放在一起时，我们知道宇宙在电场、磁场和电荷之间不是对称的：麦克斯韦方程只包含电荷和电流而没有磁荷和磁流，我们观察到的唯一的磁性性质是由电荷和电流引起的。

事实上，如果你愿意的话，很容易从数学修改麦克斯韦方程组，让它包含基本的磁荷：只需添加物体本身固有的单独的“北极”或“南极”。当你引入这些额外的项时，麦克斯韦方程组得到了修正，变得完全对称。突然之间，磁感应也以另一种方式起作用：移动的磁荷会产生电场，而改变的电场会产生磁流，导致磁荷在可以携带磁流的材料中移动并加速。

在很长一段时间里，所有这些都只是单纯的空想，直到我们开始认识到对称性在物理学中所扮演的角色以及宇宙的量子性质。非常有可能，在某个更高的能量状态下，电磁学在电磁分量之间是对称的，而我们生活在那个世界的低能量、对称破坏的版本中。

1931年，保罗·狄拉克展示了一些非凡的东西：如果在宇宙的任何地方哪怕有一个磁荷，那么从量子力学角度来说，电荷在任何地方都应该量子化。这很有趣，因为后来观察到电荷被量化。然而，这些都没有提供任何证据证明磁单极子确实存在，它只是表明它们可能存在。

在理论方面，量子力学很快被量子化的量子场论所取代。为了描述电磁学，我们引入了一个称为U(1)的规范群，这个规范群至今仍在使用。在规范理论中，只有当规范群U(1)是紧致的，与电磁学有关的基本电荷才会被量子化。然而，如果U(1)规范群是紧致的，我们仍然会得到磁单极子。再一次，没有理由认为磁单极子不应该存在。

几十年来，即使在数学上取得了无数的进步，磁单极子的概念仍然只是停留在理论家的头脑深处，没有取得任何实质性的进展。但是在1974年，在我们认识到标准模型的完整结构(在群论中，标准模型是由SU(3)×SU(2)×U(1)描述的)几年后，物理学家开始考虑统一的想法。

虽然在低能量下，SU(2)描述了弱相互作用，U(1) 描述了电磁相互作用，但在约100GeV的能量下，这两个相互作用实际统一为电弱理论。在这些能量下，SU(2)×U(1)组合描述了电弱相互作用，这两种力结合在一起。

那么，是否有可能所有的基本力在高能下统一成一些更大的结构？大统一理论的想法开始出现，更大的规范群如SU(5)、SO(10)、SU(6)等开始被考虑。然而，一些令人不安但令人兴奋的后果开始出现。这些大统一理论都预言质子会从根本上稳定下来并衰变，它们会导致磁单极子的存在。

编辑：陆定辞