網友提問：磁單極天線對宇宙有什麼影響？答案或許你想不到

宇宙的奧秘一直在等待人們去發現它。

電磁場是由電荷和磁電荷產生。

電磁場則將產生正電荷和負電荷，來自維基媒體使用者共享平臺。

在所有已知的微粒子中——包括基本粒子和複合粒子——出現了一系列的特性。宇宙中的每個量子都可以有質量，也可以沒有質量。它們可以帶有顏色電荷，這意味著它們與強大的力耦合，或者它們可以是無電荷的。它們可以具有弱超電荷和/或弱同位旋，也可以與弱力相互作用完全解耦。它們可以帶電荷，也可以是電中性的。它們可以有自旋，或者固有的角動量，或者它們可以是無自旋的。如果你有電荷和某種形式的角動量，你也會有磁矩：一種表現為偶極子的磁性，有一個北端和一個南端。

但並沒有任何基本實體具有獨特的磁荷，比如北極或南極本身。關於磁單極子的這個想法，作為一個純粹的理論構造已經存在了很長時間，但是有理由把它作為我們宇宙中的一個物理存在來認真對待。Patreon的支持者吉姆·南斯（Jim Nance）寫信是因為他想知道原因：

你曾說過宇宙並非異常導致變熱，因為我們沒有看到像磁單極子這樣的遺蹟。你的篤定讓我好奇，既然沒有人見過磁單極天線或其他遺蹟，為什麼我們堅信它們存在？”

進步性

這是一個深刻的問題，需要進一步作回答。讓我們從19世紀開始追溯它的緣由。

感應是如何在導線迴路中產生電流的。

當你將磁鐵移入（或移出）線圈或線圈時，它會導致磁場在周圍改變。。。［+］OPENTEXTBC上的OpenStatxCollege。CA，根據CC-BY-4。0。

19世紀初，人們對電和磁有所瞭解。人們普遍認為電荷有兩種型別，即同性電荷排斥異性電荷，異性電荷吸引異性電荷，運動中的電荷產生電流：我們今天稱之為“電”。 永磁體，其中一邊像“北極”，另一邊像“南極”，然而，你把一塊永磁體一分為二，不管切成多小，你永遠不會得到一個北極或一個南極；磁荷只在偶極子結構中成對出現。

傾力付出

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水星不再是離太陽最近的天體：科學家們剛剛發現了人類的新近鄰。

本週，當兩次太陽爆炸震動地球時，循著明亮的極光即可發現它；

在整個19世紀，許多發明幫助我們理解了電磁與宇宙的關係。人類認識了感應：電荷產生磁場、磁場產生電流的原理。我們學習了電磁輻射，研究加速電荷如何發射不同波長的光。當所有的知識形成理論體系，進一步發現宇宙在電場、磁場和電荷之間是不對稱的：麥克斯韋方程組只包含電荷和電流。沒有基本的磁性電荷或電流，我們觀察到的唯一磁性是由電荷和電流引起的。

有磁單極子和無磁單極子都可以寫出麥克斯韋方程組。

可以寫下各種方程，比如麥克斯韋方程，來描述。。。［+］埃德·默多克

從數學上——或者如果你願意的話，從理論物理的角度——很容易修改麥克斯韋方程組，將磁荷和電流包括在內：你只需新增物體也具有基本磁荷的能力：物體本身固有的單個“北極”或“南極”。當你介紹這些額外的術語時，麥克斯韋

方程組得到了修正，變得完全對稱。即刻，感應也以另一種方式工作：移動的磁荷會產生電場，而變化的電場會誘發磁電流，導致磁荷在能夠攜帶磁電流的材料內移動和加速。在很長一段時間裡，所有這些都只是幻想，直到人類開始認識到對稱性在物理學中的影響，以及宇宙的量子性質。通常，在高能狀態下，電磁學在電和磁元件之間是對稱的，我們生活在一個低能、對稱性破缺的世界裡。儘管皮埃爾·居里（Pierre Curie）在1894年是第一個指出磁性“電荷”可能存在的人之一，但1931年的保羅·狄拉克（Paul Dirac）卻展示了一件非凡的事情：如果你在宇宙中的任何地方都有一個磁性電荷，那麼量子力學就意味著電荷應該在任何地方量子化。

基於E8群（l）和標準模型（r）的李代數之間的差異。

基於E（8）群（左）和標準模型（右）的李代數之間的差異。。。［+］CJEAN42/維基媒體共享空間

這很吸引人，因為觀察到的電荷不僅是量子化的，而且當涉及到夸克時，它們是以分數形式量子化的。在物理學中，我們所掌握的關於新發現即將到來的最有力的“線索”之一是發現了一種機制，可以解釋為什麼宇宙具有我們所觀察到的性質。

然而，這些都沒有提供任何證據證明磁單極子確實存在，只是表明它們可能存在

。在理論方面，量子力學很快被量子場論所取代，在量子場論中，場也被量子化。為了描述電磁學，引入了一個稱為U（1）的規範組，目前仍在使用。在規範理論中，只有當規範群U（1）是緊的時，與電磁有關的基本電荷才會量子化；然而，如果U（1）規範群是偏緊的，我們得到的就是磁單極子。

同樣，電荷必須量子化可能有不同的原因，但至少根據狄拉克的推理和我們對標準模型的瞭解，似乎沒有理由不存在磁單極子。

標準模型，分解為SU（3）、SU（2）和U（1）元件。

此圖顯示了標準模型的結構（以顯示維基共享的鍵…［+］萊瑟姆 博伊爾和馬爾杜斯的方式）

幾十年來，即使在無數數學進步之後，磁單極子的概念仍然只是一個縈繞在理論家腦海中的好奇心，沒有任何實質性的進展。但在1974年，在我們認識到標準模型的完整結構幾年後——在群論中，由SU（3）×SU（2）×U（1）描述——物理學家開始接受統一的想法。而在低能時，SU（2）描述了弱相互作用，U（1）描述了電磁相互作用，它們實際上在約100gev的能量下統一：電弱尺度。在這些能量下，組合群SU（2）×U（1）描述了電弱相互作用，這兩種力統一了。

那麼，有沒有可能所有的基本力在高能下統一成一個更大的結構？他們可能會這樣做，因此大統一理論的想法開始產生。更大的規範群，如SU（5），SO（10），SU（6），甚至是例外群開始被考慮。然而，一系列令人不安但令人興奮的後果幾乎同時出現。這理論預言質子將從穩定到衰變；新的超重粒子代替存在；正如傑拉德霍夫特和亞歷山大波利亞科夫在1974年所表明的那樣，它們將導致磁單極子的存在。

磁單極子的概念，發射磁場線的方式與隔離的電。。。［+］歐米茄背景中的BPS狀態和可積性—布里切瓦，科尼亞等人，JHEP 1210（2012）116

現在，我們沒有證據證明大統一的思想與我們的宇宙相關，但同樣，它們也有可能相關。每當我們考慮一個理論概念時，我們尋找的一個問題就是病理學：我們感興趣的任何情景都會以某種方式“打破”宇宙。最初，當特霍夫特波利亞科夫單極子被提出時，人們發現了這樣一種特殊現象：磁單極子會做一種被稱為“宇宙過度閉合”的事情。

在早期的宇宙中，物體是熱的，能量足夠大，任何你能用足夠能量創造的粒子-反粒子對-透過愛因斯坦的E=mc2-都會被創造出來。當對稱性打破時，你可以給一個以前沒有質量的粒子一個非零的靜止質量，或者當對稱性被打破時，你可以自發地將大量的粒子（或粒子-反粒子對）從真空中剝離出來。第一種情況的一個例子是當希格斯對稱性破裂時會發生什麼；第二種情況可能發生，例如，當佩切伊·奎因對稱性破裂，將軸子拉出量子真空。

無論哪種情況，這都可能導致災難性的後果。

宇宙是如何膨脹的（【獨特的】黑色）？而不是膨脹的（綠色和紅色）。

如果宇宙物質密度只是稍微略高的（紅色），它將是封閉的，並且有。。。［+］奈德·賴特的宇宙學教程

通常，宇宙膨脹和冷卻，總能量密度與任何時間點的膨脹率密切相關。如果你取大量以前的沒有質量的粒子，給它們一個非零質量，或者你突然自發地向宇宙中新增大量的質量粒子，你會迅速增加能量密度。隨著更多的能量出現，突然膨脹率和能量密度出現失衡；宇宙中有太多的“東西”。

這不僅導致膨脹率下降，而且在單極子生產的情況下，膨脹率一直下降到零，然後開始收縮。在短時間內，這將導致宇宙的重新消失，並以一個巨大的嘎吱聲結束。這被稱為對宇宙的過度迷失，不能準確描述我們的現實；我們還在這裡，事情還沒有過去。這個難題被稱為單極子問題，是宇宙膨脹的三個主要動因之一。

正如膨脹將宇宙（無論其幾何結構如何）拉伸到一種與平面無法區分的狀態（解決平面度問題），並將相同的性質傳遞到我們可觀測宇宙中的所有位置（解決地平線問題），只要宇宙在膨脹結束後不再加熱到規定尺度以上，它也可以解決單極子問題。

宇宙膨脹如何解決地平線、平坦度和單極問題。

如果宇宙膨脹了，那麼我們今天所看到的可見宇宙來自過去。。。［+］E。西格爾/銀河系之外

早在1980年，人們就熟識了這一點，對胡夫特·波利亞科夫在單極子、大統一理論和宇宙膨脹的最早模型的共同興趣使一些人開啟了一項了不起的事業：嘗試並實驗檢測磁單極子。1981年，實驗物理學家布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）建立了一個低溫實驗，涉及一個線圈，明確了設計用於尋找磁單極子。

透過建立一個有八個迴路的線圈，他推斷如果一個磁單極子穿過線圈，他會看到一個特定的訊號，這是由於發生的電感應。就像將永磁體的一端放入（或取出）線圈會感應電流一樣，將磁單極子穿過線圈不僅會感應電流，而且電流正好相當於磁單極子電荷理論值的8倍，他的實驗裝置中有8個迴路。（如果偶極子穿過，則會出現+8的訊號，緊接著是-8的訊號，從而區分這兩種情況。）

1982年2月14日，辦公室裡沒有人注意這個實驗。第二天，卡布雷拉回來了，他對自己的觀察對照感到震驚。實驗記錄了一個訊號：一個幾乎完全對應於磁單極子將產生的訊號。

1982年為尋找磁單極子而設計的實驗結果。

1982年，在布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）的帶領下進行了一項實驗。隨後進行了大量的模仿實驗，其中許多實驗規模更大，執行時間更長，線圈中的線圈數量在增加，但沒有人見過任何磁單極子有關或類似的東西。1983年2月14日，斯蒂芬·溫伯格（Stephen Weinberg）給卡布雷拉（Cabrera）寫了一首情人節詩歌，內容如下：

“玫瑰的紅，

紫羅蘭的藍，

輪到單極子了

正點！”

但是，儘管我們進行了所有的實驗，其中一些一直持續到今天，但還沒有發現磁單極子的其他跡象。卡布雷拉本人繼續完成許多其他實驗，但我們可能永遠不知道1982年那天到底發生了什麼。我們所知道的是，如果沒有能力確認和再現這個結果，我們就不能聲稱我們有磁單極子存在的有力證據。

宇宙中磁單極子界限的現代約束。

這些是現代被使用的約束條件，來自於大量的實驗，這些實驗主要是由。。。［+］高能中微子天體物理學：現狀與展望—卡茨，英國等人，核物理區域性預測。67 （2012） 651–704

關於宇宙，人類還有待探索的未知，包括在能量遠遠超過我們在大型強子對撞機上觀察到的碰撞時發生的事情。我們不知道，在某些高能尺度下，宇宙是否真的能產生磁單極子；我們只知道，在我們能探測到的能量中，我們還沒有看到它們。我們不知道大統一在早期階段是否是我們宇宙的一種屬性，但我們確實知道很多：無論早期發生了什麼，它都不會使宇宙過度失衡，也不會使我們的宇宙充滿這些從高溫稠密狀態遺留下來的高能遺蹟。

我們的宇宙在某種程度上承認磁單極子的存在嗎？這不是我們目前能回答的問題。但是，我們可以滿懷信心地說：

熱大爆炸早期達到的溫度有一個上限，

這一限制是由對必須由膨脹產生的引力波觀測的限制所設定的，

如果大統一與我們的宇宙有關，它只允許發生在超過這個極限的能量尺度上。

這意味著，如果存在磁單極子，它們需要有非常高的靜止質量：大約1015GeV或更高。

從暗示磁單極子可能存在的一條實驗線索落到我們的膝上至今已經將近40年了。然而，在第二條線索出現之前，我們所能做的就是嚴格限制這些假設的單極子不允許隱藏的位置。

BY： Starts With A Bang

FY： Jane

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