拿一根金屬棒，把所有的電子都引到一端，這時金屬棒的電場是一個偶極場?，F(xiàn)在把金屬棒切成兩半，我們會得到一對電荷：一半是負電荷，另一半是正電荷，這兩個電荷都有直接向外輻射的電場。

現(xiàn)在再拿一根金屬棒，用磁鐵磁化它，我們會得到一個與偶極子電場非常相似的偶極子磁場。但如果我們再把這個金屬棒分成兩半，每一半的末端仍然是北極和南極，仍然會產(chǎn)生一個偶極場。根據(jù)經(jīng)典的電磁學，無論對金屬棒切割多少次都沒有關系，我們永遠不會得到孤立的磁荷，也就是磁單極子。

早在1269年，法國學者Petrus Peregrinus de Marincourt首次進行了這項磁體切片實驗，這是在我們知道磁體產(chǎn)生原理之前。如今，我們知道磁性從何而來，我們對減半的磁鐵會產(chǎn)生兩個更小的磁鐵并不感到驚訝。在鐵磁體中，磁場是磁鐵原子中無數(shù)微小排列的電子偶極子場的總和。產(chǎn)生偶極子磁場的另一種流行方法是電磁體，根據(jù)經(jīng)典電動力學，移動電荷是磁場的來源。

經(jīng)典理論

磁單極子的不存在被編入經(jīng)典電動力學的數(shù)學中，特別是高斯磁定律（麥克斯韋四個方程之一），它表明磁場的散度為零。散度是一個數(shù)學術語，它描述的是向量場中里的一個點是源還是匯，零散度意味著沒有源也沒有匯。根據(jù)這條定律，我們知道沒有磁單極子的存在。

另一方面，電場的高斯定律告訴我們，電場的散度不為零，它與電荷密度成正比。該電荷是電場線可以結束的地方——它形成了它們的源或匯，所以有諸如孤立電荷之類的東西。如果我們快速瀏覽一下麥克斯韋方程組，我們會發(fā)現(xiàn)電和磁不是對稱的。如果我們向方程中添加磁荷這樣的東西，也可以在這些方程之間具有對稱性。

物理學家默里·蓋爾曼說：“所有不被禁止的都是強制性的?！边@意味著如果物理理論的數(shù)學允許它的存在，那么它就存在于自然界中。麥克斯韋方程中沒有任何東西真正表明磁單極子不存在，除了麥克斯韋將磁荷設為零這一事實，因為他不相信它存在。但原則上磁單極子可以存在，至少根據(jù)經(jīng)典理論。

量子理論

量子力學呢？通過用量子場而不是電荷和力的方式來解釋，徹底改變了我們對電磁學的理解。偉大的物理學家保羅·狄拉克有一個習慣，就是盯著數(shù)學就發(fā)現(xiàn)粒子。正如我們之前文章中討論的那樣，他在1928年以這種方式預測了反物質(zhì)的存在。但隨后在1931年，就在他的反物質(zhì)得到驗證之前，狄拉克做出了另一個預測——磁單極子的存在。

他的論點是這樣的：從偶極子磁場開始，可以通過將兩端分開足夠遠并以某種方式消失連接的磁力線來近似單極子。有一種方法可以做到這一點，一個同電的螺線管會得到一個偶極場，其連接場線被限制在線圈內(nèi)。所以使線圈的寬度遠小于長度，它看起來就像兩個孤立的磁荷。這種構造被稱為“狄拉克弦”，狄拉克的論點是，如果狄拉克弦的弦部分從根本上無法探測到，那么磁單極子就可以存在。

論點的第二部分是在什么條件下無法檢測到該弦。磁場會影響帶電粒子，在量子力學中，這是通過改變粒子波函數(shù)的相位來實現(xiàn)的。想象一個帶電粒子經(jīng)過狄拉克弦，比如一個電子。要繪制該軌跡，需要將電子的所有可能路徑相加，包括在弦上向左和向右的路徑。弦的存在及其磁場應該會根據(jù)電子通過弦的哪一側(cè)引入不同的相移，這實際上會對電子的路徑產(chǎn)生明顯的影響。換句話說，該弦將是可檢測的。

但是有一種情況是永遠無法檢測到弦：相移的量與電荷成正比。對于該電荷的值，在弦的不同側(cè)之間引起的相移恰好是一個波周期。這意味著沒有可觀察到的差異，所以對于狄拉克弦是不可檢測的，最終電荷只能以基本電荷的整數(shù)倍存在。另一方面，這被認為是對電荷量子化的預測，只要整個宇宙至少有一個磁單極子，電荷就必須是離散的。當然，我們知道電荷確實是量子化的，它只能是電子電荷的整數(shù)倍，

但是，與其將其作為電荷量化的預測，我們還可以將其翻轉(zhuǎn)：如果電荷被量化，磁單極子的存在就是可能的。電荷被證明是量子化的，所以量子力學實際上并不禁止單極子。

大統(tǒng)一理論

讓我們快進40年。在1970年代初，物理學家設法解釋弱力并將其與電磁學統(tǒng)一起來。解決這個問題后，物理學家們正在努力通過所謂的大統(tǒng)一理論將強力納入其中，這些理論涉及復雜的對稱性破壞。事實證明，磁單極子在所有大統(tǒng)一理論中都是不可避免的。

在電弱理論中，希格斯場是一個標量場，它到處都有兩個復雜的值，這兩個“自由度”的相互作用賦予了希格斯粒子質(zhì)量。在最簡單的大統(tǒng)一理論中，希格斯場有三個自由度而不是兩個。這意味著場可以有點像矢量，即使它真的不是矢量。它可以有一個指向特定方向的內(nèi)部箭頭——不是指向物理空間，而是指向這三個自由度的空間。

1974年，Gerard t’Hooft 和 Alexander Polyakov同時提出，希格斯場的某些點可以形成一些結——場箭頭的指向都遠離那個點，這些是拓撲不連續(xù)點，不能通過空間的平滑變形來移除的點。事實證明，在大統(tǒng)一理論中，希格斯場中的這些結表現(xiàn)為帶有磁荷的粒子——磁單極子，它們應該是非常大的，并且應該在極高能量的環(huán)境中自發(fā)形成，例如在非常早期的宇宙中。

這些理論預測存在磁單極子是令人興奮的，但確實也存在問題。因為這些理論預測，在很早的宇宙中應該會大量產(chǎn)生磁單極子，與質(zhì)子和電子一樣多，那么它們現(xiàn)在在哪里呢？并且它們也應該非常大，是質(zhì)子質(zhì)量的千萬億倍，因此應該迅速重新坍縮宇宙。

實驗

早在1982年，物理學家Blas Cabrera Navarro 在他的斯坦福實驗室建立了一個超導線圈，并設法探測到狄拉克預測的磁單極子，但未能成功。在大型強子對撞機上也有幾個不同的實驗，同樣也未能發(fā)現(xiàn)磁單極子。大型強子對撞機所能達到的能量比大統(tǒng)一理論預測的產(chǎn)生單極子所需的能量低約1000 億倍。人們還尋找來自太空的磁單極子，但同樣，目前還沒有令人信服的證據(jù)。