導語：我們可以從理論和實驗兩方面來看電磁場理論。麥克斯韋方程組是經典的電磁場理論，但是這個理論並不能完美解釋為何我們找不到磁單極子，也不能解釋為何電荷都是以固定值存在的。當科學家將麥克斯韋方程組拓展到包含磁單極子，電荷就只能以固定值存在，這使得經典電磁場理論與量子電動力學得到了統壹。而在實驗方面，在實驗室裏構造類磁單極子、通過大型強子對撞機尋找磁單極子、甚至是在浩渺無垠的宇宙裏尋找它的存在，人們壹直沒有放棄過對磁單極子的探索。磁單極子真的存在嗎？還是這只是人們對電磁對偶壹廂情願的想法？作者把這個問題留給了我們自己。 關鍵字：電磁理論 電磁對偶 磁單極子 妳很可能已經聽說過希格斯玻色子了。早在很久以前就有人預測了這種難以捉摸的粒子的存在，它的存在也幫助了人們解釋宇宙為什麽像現在這樣運轉。但我們仍舊花了幾十年時間去尋找它。 不過，量子力學還預測了壹種難以捉摸的粒子的存在，這種粒子困擾了人們更長時間。事實上，我們壹直試著尋找它，但我們至今沒有找到過哪怕壹個這種粒子。 這就是磁單極子。它的壹些特性使得它比其他粒子更特別。 磁與電的相似性 對物理感興趣的人大概已經對電單極子有過了解了，不過妳可能更熟悉它的另壹個名字：電荷。 在電場裏不同的電荷有著不同的反應，正電荷從正極運動到負極，負電荷從負極運動到正極。電荷的正負又稱為電荷的“性”，同性電荷相互排斥，異性電荷相互吸引。 （譯註1，為解釋清楚正負電荷的定義，這裏沒有完全按照英文翻譯。） 電單極子以帶有壹個正電荷或壹個負電荷的粒子形式存在，比如說電子，以及質子。 乍看之下，磁場跟電場有點相似。就場的方向來看，磁體從磁場的北極運動到南極，人們藉此定義磁場的方向。 （譯註2，電場的負極方向是電場中正電荷運動的方向，磁場的南極是磁場中磁體運動的方向，因此作者說電場和磁場相似。） 然而，當我們試圖在磁場中尋找電荷的對應物時，這種對稱性卻被打破了。我們能夠找到以帶電粒子的形式存在的電單極子，但我們卻從未觀測到過磁單極子。 跟電場相反，磁體總是以偶極子的形式存在，有壹個北極和壹個南極。當壹整塊長條磁鐵被分成兩半，妳不可能得到壹塊只有北極的磁鐵和壹塊只有南極的磁鐵。相反的，妳會得到兩塊新的、更小的磁鐵，每壹塊磁鐵都有南極和北極。 即使妳將那塊磁鐵分成獨立的粒子，妳還是只能得到磁偶極子。 回顧已經建立的磁學，我們能夠在麥克斯韋方程組中看到電學與磁學的連續性，並將其整合成傳統的電磁場理論。 麥克斯韋早在1861年到1862年間就發布了這壹方程組，它們直到今天還相當有用，不論是在工程、通信、醫學領域還是別的壹些領域上。 但是，這組方程中的其中壹個方程——磁場高斯定理——表明了世界上並沒有磁單極子。 我們日常所觀察到的磁性都來自於電荷移動。帶電粒子沿路徑移動（比如電子沿導線運動）形成電流，而這種電流激發了環繞電流流動方向的磁場。 第二種形成磁性的原因跟量子力學中的“自旋”概念有關。比起慣常認定的帶電粒子按固定方向移動，我們可以將自旋看成帶電粒子繞壹個軸旋轉。 自旋使得粒子產生了壹個角動量，而這個角動量使得帶電粒子表現得像磁雙極子（比如，壹個很小很小的條狀磁鐵就是壹個磁雙極子）。這個解釋意味著，我們不需要磁單極子也可以描述磁場產生的現象。 但是，由於傳統的電磁場理論與我們所觀測到的現象沒有矛盾，這並不意味著沒有磁單極子的存在。相反，這僅僅意味著我們還沒有觀測到過磁單極子。 看向理論更深奧晦澀的部分，我們將會找到對磁單極子存在性的壹些有趣爭論。 磁通磁鐵科技 對稱性的誘惑 1894年，諾獎得主Pierre Curie（譯註，即我們熟知的居裏夫人的丈夫）描繪了壹種未被發現的粒子存在的可能性，目前沒有理論能否定它的存在。 更晚壹些時候，在1931年，諾獎得主Paul Dirac拓展了麥克斯韋方程組使其包含磁單極子，展示了麥克斯韋方程組的壹種未被證實的可能性。在這種情況下電荷只能取壹些特定的值，不能任意取值。磁通磁性科技 （譯註，為避免誤導，本段有添字。） 而電荷的量子化是量子力學的要求，所以，Dirac的工作向人們展示了傳統電磁理論與量子電動力學理論的兼容性。 （譯註，電荷的量子化即指上文的“電荷只能取壹些特定的值，不能任意取值”） 不管怎樣，有的物理學家執著於自然理論的對稱之美。由於磁單極子的存在將預示著電場和磁場間存在對偶性，那些預言磁單極子存在的理論是讓人著迷的。 對偶性，在物理當中，意味著壹種理論跟另壹種完全不同的理論有相似性。 如果電場力跟磁場力有完全的相似性，那也許另壹種力也會跟其他力有相似性。也許強力和弱力之間也會存在某種聯系，使得所有力的大壹統理論成為可能。 不過，大壹統理論具有的迷人對稱性並不能說明它的正確性，我們還需要更多證據。