磁物理学还有一些鲜为人知的秘密

磁铁和磁力在我们的日常生活中无处不在。磁针可以帮助我们在不熟悉的地方找到方向，而冰箱磁铁可以将孩子的画固定在冰箱门上。除了这些常见的例子，磁场在宇宙中也起着重要的作用。有时候，磁场会对周围环境产生重大影响，比如危险的磁星环境和广泛使用的核磁共振扫描仪。然而，在大多数情况下，磁场只是存在，并受到其他更强的力的影响。虽然印象不是很深刻，但在磁物理学中还是有一些鲜为人知的秘密。

磁力源于运动。

单个带电粒子，虽然什么都不做，也会产生电场。这个电场围绕着粒子，会引导其他带电粒子做出相应的运动。如果附近有一个电荷相同的粒子，就会被推开；如果是带相反电荷的粒子，两者会很接近。

然而，如果你让这个电荷移动，令人惊讶的事情就会发生：一个新的领域出现了！这个奇怪的场以不同的方式表现：它不是直接指向或远离电荷，而是绕着电荷旋转，总是垂直于电荷运动的方向。更重要的是，附近的带电粒子只有在它们也在运动时才能感受到这个新的场，它感受到的力是垂直于其运动方向的。

这个场就是我们所说的磁场，它不仅是运动电荷产生的，而且只影响运动电荷。但是，冰箱贴不动，为什么会有磁性呢？

你的冰箱磁铁不动，但构成它的材料在动。在磁铁中，每个原子都有电子层，电子是具有自旋性质的带电粒子。自旋是一个非常深奥和量子化的特征。为了解释磁场，我们可以把电子想象成微小的旋转金属球(当然我们都知道这种想象严格来说是不准确的)。

这些电子是运动中的电荷，每个电子都能产生自己的微小磁场。在大多数物质中，电子有不同的运动方向，在宏观尺度上相互抵消；但是在磁铁中，大量的电子会排列整齐，产生足够把冰箱贴贴到冰箱上的磁场。

磁单极子可能存在。

由于我们在宇宙中看到的所有磁场都是由运动的电荷产生的，所以你永远无法把磁北极和磁南极分开，它们永远是成对存在的。如果你把一块磁铁切成两半，你会得到两块磁力较小的磁铁。它们内部的电子仍在不断运动，“自动”产生新的磁场，重新排列北极和南极。

磁铁的这一特性广为人知，以至于英国物理学家詹姆斯麦克斯韦在其著名的麦克斯韦方程组中直接得出结论“磁单极不存在”。麦克斯韦阐述了电和磁的关系，引入了电磁场的概念。多年来，人们一直坚信“磁单极子不存在”。然而，随着我们开始观察神奇而陌生的亚原子世界，以及科学家对量子力学的理解不断加深，磁单极子已经成为物理学领域的重要研究课题之一。英国物理学家保罗狄拉克是量子物理学的先驱之一，他注意到在磁单极假设的数学推理中隐藏着一些有趣的东西。

我们来做一个思维实验。如果磁单极子存在，你把它和普通电荷配对，两者就会开始旋转。这种旋转实际上与距离无关；无论它们相距多远，它们都会旋转。但是狄拉克知道角动量(圆周形式的动量，如电荷和磁单极子相互旋转的情况)是量子化的。——我们宇宙中的角动量是一个离散值。一切都是一样的，包括这对电荷和磁单极子。

因此，狄拉克意识到，如果角动量是量子化的，那么这些粒子上的电荷也必须是量子化的。由于这种效应与距离无关，如果整个宇宙中存在磁单极子，就会引起电荷的量子化，这就是所谓的“狄拉克量子化条件”。物理学家的实验发现，电荷的基本单位是基本电荷，这与磁单极子的存在是一致的，但磁单极子的存在尚未得到证实。

是磁学狭义相对论的关键。

詹姆斯麦克斯韦发现的电和磁之间的联系并不简单。他意识到它们实际上是同一个硬币的两面——，电磁3354。电场的变化可以产生磁场，反之亦然。更重要的是，他指出，光的现象实际上是电和磁相互干扰时产生的。

麦克斯韦将光与电磁学理论定量联系起来的开创性工作，被认为是19世纪数学物理最伟大的成就之一，也深深影响了后来的物理学家，包括爱因斯坦。爱因斯坦将麦克斯韦的工作向前推进了一步，他意识到电、磁和运动之间存在联系。先说单个电荷和它的电场。当你跑过它的时候会发生什么？

从你的角度来看，冲锋似乎正在进行。那么，运动中的电荷会做什么呢？是的，它们产生磁场。因此，不仅电场和磁场是一个硬币的两面，而且你可以通过移动它们来改变它们。这也意味着不同的观察者会看到不同的场景：一个静止的观察者可能会看到一个电场，而一个更加移动的观察者会发现一个由同一来源产生的磁场。

正是这种思维促使爱因斯坦提出了现代科学的基石——狭义相对论——。对于这一点，我们首先要对磁场表示感谢。

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