磁场无处不在 来了解下关于磁物理学的三个有趣事实

2018年12月14日 08:51 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

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,而冰箱贴可以将孩子的画固定在冰箱门上。除了这些常见的例子,磁场还在宇宙中扮演着重要角色。有时候,磁场会对周围环境产生重大的影响,比如在危险的磁星环境,以及用途很广的核磁共振扫描仪。不过,在大多数情况下,磁场只是简单地存在,并受到其他更强作用力的影响。虽然不是很起眼,但磁物理学中还是蕴含着一些鲜为人知的秘密。

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ESA - Christophe Carreau.

磁力源于运动

带有电荷的单个粒子,尽管什么都不做,也会产生一个电场。这个电场围绕在粒子周围,会引导其他带电粒子做出相应的运动。如果附近有一个带同样电荷的粒子,那它就会被推开;如果是带相反电荷的粒子,那二者就会互相靠近。

但是,如果你让这个电荷运动起来,就会发生令人惊讶的事情:一个新的场出现了!这个奇怪的场表现出与众不同的行为方式:它不是直接指向或远离电荷,而是围绕着电荷旋转,总是垂直于电荷运动方向。更重要的是,附近的带电粒子只有在同样处于运动状态时,才能感受到这个新的场,而它感受到的作用力又是垂直于它的运动方向。

这个场也就是我们所说的磁场,它既是由运动中的电荷产生的,同时也只影响运动中的电荷。但是,冰箱贴并不会运动,它为什么有磁力呢?

你的冰箱贴磁铁没有在运动,但是构成它的物质正在运动。在磁铁中,每个原子都具有一层又一层的电子,而电子是具有自旋性质的带电粒子。自旋是一种十分深奥而且量子化的特征。为了阐述磁场,我们可以将电子想象成微小的旋转金属球(当然我们都知道,这样想象严格来说是很不准确的)。

这些电子都是运动中的电荷,而每个电子都能产生自己的微小磁场。在大多数物质中,电子具有不同的运动方向,并在宏观尺度上相互抵消;但是在磁体中,大量的电子会排列整齐,产生足以将冰箱贴粘附在冰箱上的磁场。

磁单极子可能存在

由于我们在宇宙中见到的所有磁场都是通过运动中的电荷产生的,因此,你永远无法将磁北极和磁南极分开,它们永远成对存在。如果你将一块磁铁切成两半,你会得到两快磁力变小的磁铁;它们内部的电子依然在不断运动,“自动地”产生新的磁场,重新编排北极和南极。

磁体的这种性质众所周知,以至于英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在他著名的麦克斯韦方程组中,直接断定“磁单极子不存在”。麦克斯韦阐述了电和磁两种现象之间的关系,并引入了电磁场的概念。多年以来,人们一直对“磁单极子不存在”的观点深信不疑,但随着我们开始观察到神奇而古怪的亚原子世界,随着科学家对量子力学的了解日益加深,磁单极子又成为物理学界重要的研究主题之一。量子物理学的先驱之一、英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)注意到,在磁单极子假说的数学推理中,隐藏着一些有趣的东西。

让我们来做一个思想实验,如果磁单极子存在,并且你将它与一个普通的电荷配对,那二者就会开始旋转。这种旋转实际上与距离无关;无论二者相距多远,它们都会旋转。但狄拉克知道,角动量(呈圆圈形式的动量,正如电荷和磁单极子互相旋转的情况)是量子化的——我们宇宙中的角动量是离散值。一切皆是如此,包括这一对电荷和磁单极子。

于是,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。而由于这种作用与距离无关,因此如果整个宇宙中存在磁单极子的话,它就会引起电荷的量子化,这就是“狄拉克量子化条件”。物理学家的实验发现,电荷量的基本单位为基本电荷,这与磁单极子的存在相符合,但至今仍未证实磁单极子的存在。

磁是狭义相对论的关键

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,二者其实是同一个硬币——电磁学——的两面。电场的改变可以产生磁场,反之亦然。更重要的是,他指出光现象其实就是电和磁相互扰动时产生的。

麦克斯韦将光与电磁学理论进行定量联系的创举被认为是19世纪数学物理最伟大的成就之一,也深刻影响了后来的物理学家,其中就包括爱因斯坦。爱因斯坦将麦克斯韦的工作更进了一步,他意识到电、磁和运动之间存在联系。让我们从单个电荷及其电场开始,当你跑动经过它的时候会发生什么?

从你的角度来看,电荷似乎才处于运动之中。那么,运动中的电荷会做什么?没错,它们会产生磁场。因此,不仅电场和磁场是同一个硬币的两面,而且你可以通过运动的方式,使二者发生转换。这也意味着,不同的观察者会看到不同的景象:静止的观察者可能会看到一个电场,而更具移动性的观察者会发现由同一来源产生的磁场。

正是这种思路促使爱因斯坦提出了狭义相对论——现代科学的基石。对此,我们应该首先向磁场表达谢意。

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