西元1269年,早期研究材料磁性質的法國人裴瑞格里努斯(P. Peregrinus)指出,在各種天然磁石表面附近,鐵粉作有方向性的排列。他注意到,天然磁石附近的「力線」總集中在兩點,就如地球子午線在相反的兩個地理極點相會。這一類比促使他將此兩點定為磁鐵的南極與北極。後來的觀察證實,所有的一般磁性物質均有成對而極性相反的區域,也就是說,所有的磁鐵都呈偶極。

想像孤立的南、北磁極很容易,然而磁單極可能存在的想法雖已持續了幾個世紀,但一直都沒有證據。1931年,此種想法再度引起注目,因為英國物理學家狄拉克(P. A. M. Dirac)指出,帶電粒子的某一重要特性,可以由假定帶磁荷基本粒子的存在來解釋。狄拉克的猜測刺激了一場風潮,有許多理論論文預測了假想中磁單極的性質,並有幾個實驗企圖找尋它,但沒有一個成功。

最近,由於結合一個關於自然界中幾種基本力的理論的努力,又再度引起了大家對尚未找到磁單極一事的注意。其實,有一理論還提出,在所設想的宇宙初生大爆炸的第一瞬間,即產生有磁單極。此理論接下來又解釋了何以單極雖然存在,而卻未在早先的偵測中發現:這些東西質量異乎尋常地大,因此與普通粒子的性質極為不同。現正有幾個新奇的實驗在準備或進行中,以找尋大霹靂殘存粒子中的超重磁單極。

無獨有偶

普通磁性材料的偶極性質不難證明。如鐵粉灑在紙上,下置一磁鐵棒,則鐵粉會排成由磁鐵一端到他端平滑弧線的圖形,弧線代表了兩極間的磁場線,弧線的密疏表示磁場的強弱。將磁鐵切作兩半並不會使兩極孤立,反而產生了兩根較小的磁棒。

我們可將異號電荷置於絕緣棒的兩端,而造出類似的電偶極。當電偶極被切開時,就產生兩個孤立的電單極。原因是每一電極代表了各帶電粒子的聚積,帶負電的電子在一端,帶正電的陽離子在另一端;當兩極分開時,電荷的聚集並不受影響。孤立電極是可能的,孤立磁極卻不能,這便是電與磁之間的基本差異。

對於此種差異的最初解釋,迄今已有一世紀以上了。普通物體如磁棒的磁性,並非由荷磁粒子的聚積,而是由其中電流迴路產生。例如螺線管的磁場係由環繞線圈的電流所建立,在次原子的尺度裏也有許多小的迴路電流。在非磁性材料中,原子及其內電流是任意取向的。如果其中原子多少有些朝某方向取向,這材料即顯出淨的磁化。於永久磁鐵中,即使將造成取向的力移去,原子仍維持著一定的取向。把一個磁棒切為兩半並不能分開兩極,因為每一個原子本身就是個偶極。 

此一電與磁的基本差異,正處於1864年馬克士威爾(J. C. Maxwell)所系統陳述的電磁現象理論的核心。馬克士威爾的理論完全忽略孤立磁荷存在的可能,因為從未觀測到它。過去一世紀以來,已有許多實驗檢驗馬克士威爾理論,而從未發現有不足之處。僅此一事實,即嚴格地限制了磁單極可能發現的前提。

狄拉克磁單極理論

狄拉克對此課題的貢獻是由對電荷量子化的解釋而來。觀測顯示電荷只以電子或質子電荷的整數倍出現。狄拉克證明若在宇宙中任何一處存有磁單極,則電荷必須到處量子化。截至最近以前為止,狄拉克的磁單極假說是電荷量子化的唯一解釋。(夸克的1/3或2/3電子電荷並不會改變狄拉克的結論,許多物理學家認為夸克必須局束於具整數電荷的粒子內。)

下面以非數學語言來描述狄拉理論的推理:原子當受激到高能態,有一突然返回低能態的傾向,並將多餘的能量以光子亦即電磁輻射量子的形式放出。光子不但帶走原子的能量,也帶走了一些內稟角動量(intrinsic angular momentum)。因此一束光的電磁場可視為具有某些角動量。

計算電磁場中角動量的大小是相當直捷的挑戰。事實上,八十餘年前,湯姆生(J. J. Thomson )即在一本電磁教科書中,建議此一問題為學生的習題:決定一電荷與一磁荷所構成的電磁束縛系統的角動量。解答顯示,此系統的角動量與電荷和磁荷的乘積有關,與其距離無關。也就是說,磁電荷與磁荷之間是相隔一個原子或宇宙半徑的距離,電磁場的角動量相同。

現在,已知任何此種類型系統的角動量都是量子化的,自然中最小的角動量等於蒲朗克(Planck)常數(h/2π),其他所有較大的量皆為此單位的整數倍。如果已知系統的角動量大小及磁荷為固定值,則電荷的大小也就固定。以此方式,狄拉克即能以數學證明如磁荷存在,電荷必須量子化。

狄拉克的理論併入了一個他稱為線(string)的奇怪數學觀念。狄拉克線就如一無限長的螺線管,而一端有一磁單極,其餘部分則通向遙遠之處。在詳細計算狄拉克模型時,此線是極大的障礙,但是最近數學物理的發展,已可除去單極此一討厭的尾巴。

狄拉克的量子化條件賦予磁單極某些性質。例如,為解釋電磁場角動量量子化的的觀測事實,磁荷的最小單位必須是相應電荷單位的約10倍。根據狄拉克另一預測,每一種物質粒子包括磁單極,皆有一種反物質粒子與其相對應。就如正子(在狄拉克預測其存在四年後,於1932年由安德生等人發現)是電子的反粒子,磁單極應當有一個反磁單極與之相對應。根據裴瑞格里努斯任意的命名,其一稱為北單極,另一則為南單極。狄拉克的理論並未預測磁單極的大小、質量,或在宇宙中的含量。

磁單極的特異性質

當馬克斯士威爾理論擴充,包含磁荷及磁流時,一些有趣的效應便發生了。例如,當電荷速度趨近光速時,它的性質會漸與磁單極類似;同之,當磁荷速度接近光速時,其性質亦與電荷相似。但根據愛因斯坦狹義相對論而來的此種轉換,前者已由實驗證實,後者則還沒有。

運動中的電荷會因使物質游離而散失能量,能量耗失率約是每經過一公分物質損失數百萬電子伏特。通常游離一個原子所需的能量為數十電子伏特,因此一個運動中的電荷,每公分可游離數百至數千個原子。

由於磁單極有更強的磁荷,它游離原子的能力要強約一萬倍;也因此當磁單極通過物理學家用以偵測荷電粒子的照像乳膠photographic emulsion)時,其留下的軌跡會較一以同速度運動電荷要深上數千倍。由於在游離過程中損失能量如此快速,磁單極在進入物質中時,速度的減慢要較具同樣動能的帶電粒子快很多。

正如電場能加速帶電粒子一般,磁場能加速磁單極。由於磁單極粒子帶有較強因此不改變磁場。如前一般,質子反向,但並非折回原路。簡言之,單極揚中質子的路徑視時間方向而定,這便破壞了時間逆轉不變性原則。由於磁單極粒子帶有較強的「荷」,它在磁場中獲得的能量較帶電粒子在相當的電場中為快。一個通過一公尺超導線圈的磁單極獲得的能量,較一個質子在至今所建最大的加速器中所得能量還多。

磁單極物理還有另一奇異特徵,可藉想像時間逆轉來了解。在一個由耶魯大學阿戴爾(R. K. Adair)所提出的思想實驗中,質子穿過磁場而走一個彎曲的路徑。在磁場由線圈電流產生的情況下,時間逆轉的效果是將造成磁場的電流以及質子的運動反向;於是質子反向沿原路徑折回。我們說,質子的路徑在時間逆轉下不變。

但再設想磁場非由電場產生,而為磁單極產生。時間逆轉並不改變單極的極性,因此不改變磁場。如前一般,質子反向,但並非折回原路。簡言之,單極揚中質子的路徑視時間方向而定,這便破壞了時間逆轉不變性原則。

在時間逆轉下所預測的磁單極這一效應,多年來被視為反對磁單極存在的主要論證。但在1964年,費契(Val L. Fitch)、克隆寧(J. W. Cronin)及他們在普林斯頓大學的同事,在布魯克海文(Brookhaven)國家實驗室完成的實驗中,發現在中性子(neutral kaon,或譯凱子)的衰變中有極似時間逆轉不變性破壞的效應。此發現在理論上的重要性直到最近才開始完全了解,當了解增加時,對磁單極想法的一些反對意見都被棄置了。

過去的努力

有了這許多令人乾著急的磁單極性質,而尋找磁單極存在證據的實驗到底又如何呢?於每一新粒子加速器開始使用後,就有人在其最初高能粒子碰撞的碎片中搜尋磁單極,此類找尋事實上已成為慣例。也有人在宇宙線與大氣原子碰撞後的副產物中尋找單極。另一種實驗則是冀望能在地球上及地球外物質的鐵原子中偵測到單極,然至今搜尋尚無所獲。

這些實驗是如何做的?一種方法是在曾於加速器高能粒子束中暴露過的鐵中尋找單極。如此粒子束能產生單極,有部分會由於材料中感應的異性磁荷束縛於鐵中。一個強力電磁鐵應能將單極由鐵中拉出,以此途徑釋出的磁單極,可藉專為紀錄強游離粒子的粒子計數計偵測到。由古老山脈露頭取得的鐵礦樣品,是以此法抽取單極的另一可能材料來源。事實上,這種方法最初在1940年代,即為芝加哥大學的馬爾庫斯(W. Malkus)所採用。

另一偵測方法最早在1960年代討論,於1970年代由艾瓦瑞茲(L. W. Alvarez)及在加州大學勞倫斯柏克萊(Lawrence Berkeley)實驗室的同僚完成。在他們的裝置中,一個疑藏有磁單極的材料樣品,重覆地通過一個超導線圈。磁單極每通過一次,線圈中電流設想會有小量增加,由於線圈是超導的,增加的感應電流會無限制地持續下去。於是問題就成為測量由單一磁單極通過多次所感應出的極小信號。藉此技術,艾瓦瑞茲及同僚證明,月岩表面樣品中的磁單極密度在每1028個質子中少於一個。即使在如此的含量限制之下,大約每20公斤物質中平均還是會有一個磁單極。

另一較為間接的方法是尋找單極-反單極偶產生或毀滅的信號。在理論上,當一高能光子在質子附近通過時,會產生如此型態的正反粒子偶。異號單極生成後總會存在片刻,然後會很快地互相吸引,彎曲運動路徑以致放出連串制動輻射(bremsstrahlung)的光子。然後它們會很快地重合而互相毀滅,將質量化為更多的光子。

此一假想機制是由紐約大學的魯德曼(M. A. Ruderman)及齊萬濟格爾(D. Zwanziger)於1960年代中期提出,以解釋1950年末期所記錄到的幾個不尋常的宇宙線事件。而此過程若為真實,也只可能在能量較目前已有粒子加速器為高時方能發生。換言之,此過程遠較宇宙線所能提供的證據為少。

由黑暗到微曦

1975年時,發現磁單極的宣告震驚了物埋世界。此一宣稱是由加州大學柏克萊分校及休斯頓大學的研究人員提出。他們的證據是在一堆照相乳膠與塑膠片上所記錄的一條異常粗黑的軌跡──猜想是由宇宙線所造成的。偵測器是掛在高處飄浮的氣球,暴露於宇宙線中兩天半。在此宣稱後不久,把這一事件當作礎單極通過的證據這一說法,受到了廣泛的批評。此類宇宙線的實驗與面積-時間因子有關,所謂面積-時間因子即指偵測面積乘暴露時間的一個量。此候選軌跡(candidate track)所用偵測器的面積-時間因子,較先前所作未見到單極的實驗約小一百萬倍。例如在艾瓦瑞茲及其同僚所作的月岩分析中,月岩暴露於各類粒子已有數百萬年之久。咸信這一粗黑軌跡來自磁單極的可能性很小。

大約此時,磁單極尋找者的前景又突現光明。荷蘭Utrecht大學的霍夫特(G. 't Hooft)及莫斯科附近蘭道(Landau)理論物理研究所波里亞可夫(A. M. Polyakov)不約而同地發現某一類基本粒子交互作用的理論,不但容許磁單極並且還需要它。而且,這些所謂規範理論(gauge theories)亦顯示,磁單極要比以前所見,甚或預測的任何粒子都要重得多。回顧已往,難怪沒有一個人能偵測到。

除了異乎尋常的巨大質量外,由霍夫特及波里亞可夫所提出的磁單極,有幾處觀點與最初狄拉克的單極相異。其一是霍夫特-波里亞可夫單極不需要狄拉克「線」;其二是單極的大小雖預料很小而不能直接量度,但它卻非點狀粒子(pointlike particle)。

為描述自然中已知四種力之三而建立的「大一統理論」(grand unified theory)中,霍夫特-波里亞可夫單極扮演了非常重要的角色。這四種力中,電磁力與弱作用力已由一個極為成功的電弱理論統合起來,此理論將這兩種力當作一個基本力的不同表現。目前,大部分嘗試建立大一統理論的研究目的,都在找一個能將電弱力及強核力統合而更具包容性的數學結構。(只欠第四種已知的重力)

大一統理論最有趣的結果是預測質子會衰變。為解釋此種衰變,引入了一個新奇的粒子──「輕子夸克」(leptoquark),能將夸克變為輕子。輕子夸克極重,也許有質子的1014倍重。如果正像霍夫特-波里亞可夫假說所提出的,超重磁單極與輕子夸克相關連,則單極將會具有大約1016個質子或約2×10-8公克的質量。對基本粒子而言,這是個極大的質量,與草履蟲或變形蟲相當。

磁單極數目的上限

超重磁單極可能在宇宙誕生僅10-35秒後就產生了。大霹靂也許是為造出此種粒子唯一夠熱(大約1030K)的事件。南北磁單極都會產生,但有一小部分又重合而互相毀滅。大部分超重磁單極都逃過早夭的命運,因此沒有理由認為它們現在不會殘存下來。當宇宙演化時,單極會在何處聚集並不清楚;但宇宙如何由大霹靂演化至今日所見的星系結構,我們也是同樣的不清楚。

本銀河系的一個特徵,使我們可以對能夠局部出現的磁單極數目下一嚴格的限制。本銀河系有一個僅為地球磁場十萬分之一的弱磁場,但範圍卻分布很廣。在本銀河系場中被捕捉到的單極,會加速到極高能量而逃離本銀河系的重力吸引。但因單極甚重,速度仍極緩慢。

芝加哥大學的帕克(E. N. Parker)指出,若銀河系中有太多此種單極,將會破壞銀河系的磁場。他的論點是根據銀河系的磁場由帶電粒子大尺度環流所產生的事實而來的。當磁單極被加速時,會藉著減慢電荷的流動自銀河場抽出能量。銀河磁場的存在因此為銀河系中磁單極數目加了上限。

宇宙中磁單極的最大密度與另一未解的問題相關,那便是宇宙會永遠地膨脹下去還是最後會陷縮。結果視宇宙中物質的量而定,可見質量(亦即發光體如恒星之類的質量)並不足以令膨脹減慢、停止而後回縮。除非尚有些多餘的未見質量,否則宇宙的膨脹會逐漸減慢,卻永不會停止。

宇宙中有足夠的不可見物質以影響這一命運嗎?何種型態的物質會有如此大的數量而至今卻尚未被偵測到?被遺漏的質量,有一可能是由微子(微中子)組成,微子極少與其他粒子作用,並且永不放出光。長久以來,微子都被視為不具質量,但現在卻有許多想法以為它具微小質量。由於微子被認為以大約每立方公分一百萬個的平均密度充滿宇宙,即使是一微小的微子質量也會有重要的貢獻,雖然可能不會比可見質量多多少。

超重磁單極很少放出光,因此也是宇宙的不可見成分。如果磁單極質量有質子的1016倍,則不需多少即可得很大質量。只要每1016個質子中有一個單極,就有大約與發光物質相等的質量。宇宙總質量似乎不可能會較可見質量的十倍為多,因此磁單極對質子比例的上限應小於1比1015。

1979年,哈佛大學的研究生普萊斯基爾(J. P. Preskill)結合強、弱及電磁力的大一統理論與標準宇宙論,主張宇宙中對每一質子應大約有一個磁單極。然而另一方面由宇宙膨脹的分析,似乎每1015個質子中磁單極的數目應少於一個。普萊斯基爾於是碰到了一個兩難之局:不是磁單極於大一統理論中所扮演的角色有誤,就是標準宇宙論錯了。避「難」的一個方法是調整宇宙論模型,容許在宇宙的最初瞬間有更多的單極-反單極毀滅事件。另一選擇是藉著某種未定機制去除估計的磁單極初始生產速率。

最近,日內瓦歐洲核研究機構(CERN)的拉薩里德斯(G. Lazarides)、夏飛(Q. Shafi)及華爾希(T. Walsh),打算藉著調整粒子理論或宇宙論,以降低預測的超重磁單極密度。結論是:單極與本銀河系磁場的交互作用,為磁單極對質子的比例定了一個下限約為1比1020。由此含量,預期每年約有200個單極通過一平方公里的區域。若根據磁單極於宇宙中更均勻分布的更保守估計,則所得結果是每年每平方公里幾個單極的通量。

這是磁單極理論第一次提出預期的質量與通量。有了這些估計,無論是多麼粗略,實驗者現在有了一個待開發的新領域。磁單極的預測通量小,但還沒小到不足以搜尋。

尋找超重磁單極的一個地方是在大尺度的自然效應中。事實上,這研究方向正是十年前最早由帕克所提出的。卡瑞根(R. A. Carrigan)曾推測單極在相吸而形成太陽系的物質中的命運。例如,當地球凝聚時,磁單極會在行星的重力及磁場的影響下沒入地心,北單極會聚集在地磁南極附近,反之亦然。

由地質紀錄可知,地球磁場已倒轉過好多次了。地磁場的倒轉會使兩群分開的單極相向遷移而彼此穿過。在它們的旅程中,有些單極與反單極會毀滅,放出蘊於質量中的巨大能量。由測量到的地表熱流,可粗略地限定陷在地核中的單極數目;以此方式算出的磁單極數目與超重磁單極含量的其他實驗限制相符。

一個更直捷的方法是建造一架偵測器,專為尋找這種重而稀少的粒子。但是此種偵測器的設計並不顯然。事實上,當眾多的想法──其中有些是相當古怪的──還在文字上及餐桌上爭辯時,動手尋找重的磁單極技術,也正達到科學中動人的重要時刻。預測重的單極運動緩慢,遠在光速以下。緩慢運動的單極撞到原子會發生什麼情形並不清楚。一個超重單極與靜止原子核的撞擊,就如壓路機撞到一隻螞蟻一樣。宇宙線磁單極在遲緩費力地通過地球時,會在許多次此種遭遇中失去大量能量,或許也可能仍絲毫無損地由他端出來。在此情況下,很難預測在偵測器中會觀測到何種程度的游離。有一觀點認為,對測量游離現象的偵測器而言,有足夠多的快速運動單極;另一觀點則認為游離極少見且弱,因此為了偵測單極需有不同於已往的技術。無論如何,如果實驗者想要在他的一生中觀察到一個單極,很明顯地需要一個非常大的偵測器。

大型偵測器對微小通量

猶他大學的柏格森(H. E. Bergeson)等人發展出一種偵測器,涵蓋好幾平方公里,可記錄游離產生的光。這種裝置稱做蠅眼偵測器(fly's-eye detector),是一批整齊排列朝向夜空的光電倍增管(photomultiplier tube),以記錄大氣上層稀少的超高能宇宙線交互作用所造出次級粒子所放出的光。當這些次級粒子灑落地球時,與大氣中的氮原子相撞而放出閃光。只有當事件中放出不少於相當於一億個質子質量的總能量時,蠅眼偵測器才能分辨出來。即使以對游離速率最樂觀的估計,一個磁單極通過所引起的光,要少於驅動此偵測器所需的萬分之一。

此種偵測器對粒子感應閃光反應的能力,受限於星體、飛掠過的飛機或其他如無線電台信號光等光源的背景照明。為避去背景光的問題,有一個建議是將偵測器架在大峽谷(Grand Canyon)的邊緣,將它指向峽谷,且只在陰天記錄數據。但即使是這樣測量,也只能將背景光減小十倍。此外,也很難要求徒步旅人放棄營火晚餐。也許蠅眼偵測器可以裝設在正用於尋找質子衰變的大洞窟或鹽礦裏。

另一個正在計畫的大體積偵測器,是深水底緲子及微子偵測器(DUMAND),對海中一立方公里內的任何事件皆靈敏。粒子在海水中的速度超過水中光速時會放出契忍可夫(Cerenkov)輻射,而DUMAND對此輻射會有反應,不幸的是磁單極可能運動太慢,而不會放出契忍可夫輻射。

現有的最大閃光偵測器,如費米實驗室及CERN巨大的微子偵測器,如果通量為銀河磁場所限,而想獲一好機會以觀測到磁單極,則這些偵測器還是太小(約小百倍)。但是,當加速器暫停使用時,將這些偵測器轉為搜尋單極之用,或許仍是有用的,否則也是放著不用,因運動緩慢的超重磁單極的實驗限制並未完全定好。紐約Lehman學院的伍爾曼(J. D. Ullman),操作一架半公尺見方的偵測器有數月之久,剛完成初步的搜尋,因此提供了至今所得唯一的實驗限制,決定性的實驗則需要高一萬倍的靈敏度。

超導偵測器

相反的觀點認為,所有用游離偵測器的搜尋都難逃失敗的厄運,因為超重單極不會引起游離。不管速度、電荷或磁荷為何,任何帶電粒子通過金屬都會造成渦流。我們可預期渦流會產生聲脈衝(acoustic pulse),而可能偵測得到。密西根大學的艾克羅夫(C. W. Akerlof)檢查了依此原則建造一個球型金屬偵測器的可能性,斷定只有在偵測器冷卻到絕對零度以上幾毫度時,才能超過熱噪音背景而偵測到。其中技術的困難,還要加上必須為預期中單極的低通量建造夠大的偵測器。

另有一個較簡單的策略可偵測超重單極,只需利用與艾瓦瑞茲及其同事所用的相似超導線圈即可。這偵測器叫做超導量子干涉儀(superconducting quantum interference device, SQUID),當宇宙線中的單極通過時,即記下電流的變化。史丹福大學的卡布瑞拉(B. Cabrera)現正以五公分直徑的超導鈮線圈搜尋單極。卡布瑞拉還以另一法搜尋單極:在此實驗中他使一個1公尺長20公分直徑的圓柱超導鉛袋膨脹,排出其中陷獲的大部分磁通量。如果有磁單極穿過這袋子,它會在它進入與離去的部分的壁上留下陷獲的磁通量。定期將袋上的磁性描繪出來,就可將通量型式的改變歸因於單極的通過。如果測到單極,則關於其方向的約略資料也會記錄下來。

最近,威斯康辛大學麥迪遜(Madison)分校與費米實驗室的克萊恩(D. B. Cline)及CERN與哈佛大學的魯比亞(C. Rubbia)開始一個野心勃勃的單極偵測工作。他們計畫在威斯康辛的鐵礦處理工廠底下裝設一個超導偵測器。這工廠每年將超過一百萬噸的鐵加熱到1,700℃。於此溫度,陷在鐵內的任何磁單極都會被釋出,而通過偵測器。

千呼萬喚不出來

推測磁單極的故事與物理中其他任何故事皆不相同。半個世紀前由一位近代物理的巨人開始,單極的搜尋始終是理論思考的豐盛園地,但至今卻仍是實驗證明的不毛之地。磁單極的發現或將與狄拉克的另一偉大預測──正子的發現,並列為本世紀的發現之一。如果發現磁單極很重,則對某種型態基本粒子交互作用的大一統理論的有利證據將會加強。

即使很可能找不到磁單極,負面的證據仍會被視為非決定性的。必需的實驗會極困難,即或完全正確地執行了,無效的結果仍不會使問題澄清。然而,對單極觀念的最後辯明還在於這些搜尋,因為物理終究是門實驗科學。
創作者介紹

海豚看世界

DolphinWing 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()