藝術(shù)家對磁星的假想圖。來源：ESA - Christophe carau。
磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，它們幫助我們在不熟悉的地方找到方向，并把孩子們的畫貼在冰箱上。但除了這些常見的例子外，磁場在宇宙力量中似乎總是起著次要的作用。當(dāng)然，每隔一段時(shí)間，它們可能會(huì)手握大權(quán)——比如在極其危險(xiǎn)的磁星環(huán)境中，或者在非常有用的核磁共振掃描儀環(huán)境中——但在大多數(shù)情況下，它們所做的只是存在，被它們更強(qiáng)大的同類推來推去。
盡管它們相對來說不重要，但它們也有一些秘密。
磁鐵只對運(yùn)動(dòng)起作用
想象一下，一個(gè)單獨(dú)的、靜止的帶電粒子會(huì)產(chǎn)生電場。這個(gè)電場環(huán)繞在粒子的四周，并指示其他帶電粒子如何反應(yīng)。如果附近有帶相同電荷的粒子，它就會(huì)被推開，如果有一個(gè)帶相反電荷的粒子離該粒子很遠(yuǎn)，它就會(huì)被輕輕拉近。
但是如果這個(gè)電荷一旦開始運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生一件令人驚訝的事情：一個(gè)新的場出現(xiàn)了!這個(gè)奇特的場以一種奇怪的方式運(yùn)動(dòng)：它不是直接指向或指離電荷，而是繞著電荷旋轉(zhuǎn)，并且總是與電荷的運(yùn)動(dòng)方向垂直。并且一個(gè)在附近的帶電粒子只有也在運(yùn)動(dòng)的情況下，才會(huì)感覺到這個(gè)新的場，而且它感受到的力也垂直于它運(yùn)動(dòng)的方向。
這個(gè)場，為了方便起見，我們叫它磁場，它是由移動(dòng)電荷引起的，同樣也只會(huì)影響移動(dòng)電荷。但是沒見你冰箱上的磁鐵動(dòng)過啊，那又是因?yàn)槭裁丛蚰?
你的磁鐵本身是不動(dòng)的，但組成這塊磁鐵的東西卻在動(dòng)。磁鐵中的每一個(gè)原子都有一層又一層的電子，而電子是帶有自旋性質(zhì)的帶電粒子。自旋是一種基本的、晦澀難懂的量子性質(zhì)，雖然嚴(yán)格來說，把電子看作是微小的自旋金屬球是不正確的……但出于解釋磁性的目的，我們可以暫且把電子看作是微小的自旋金屬球。
這些電子是運(yùn)動(dòng)中的電荷，每個(gè)電子都會(huì)產(chǎn)生其自己的、極其微小的磁場。在大多數(shù)材料中，電子間不同的運(yùn)動(dòng)方向抵消了任何宏觀的、肉眼可見的磁場，但磁鐵是那種有許多電子整齊排列的材料，這使得磁場大到足以把東西粘到冰箱上。
可能存在的磁單極
因?yàn)槲覀冊谟钪嬷锌吹降乃写艌龆际怯梢苿?dòng)的電荷產(chǎn)生的，所以你永遠(yuǎn)不能把南北磁極(“單極子”)分開。它們總是成對的，如果你把一塊磁鐵切成兩半，你只會(huì)得到兩塊更小、更弱的磁鐵，它們的內(nèi)部電子仍然和以前一樣在旋轉(zhuǎn)。
磁體的這種性質(zhì)在過去(和現(xiàn)在)已經(jīng)廣為人知，以致于詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell，發(fā)現(xiàn)電和磁是根本聯(lián)系在一起的人)，把“磁單極并不存在”這句話硬塞進(jìn)了他的方程，然后就撒手不管了。幾十年來，我們都沒有理由懷疑這個(gè)結(jié)論，我們聽之任之。
但是，當(dāng)我們注意到怪異而奇妙的亞原子世界時(shí)，我們對量子力學(xué)的理解不斷加深，我們開始對這個(gè)想法產(chǎn)生了疑問。而量子領(lǐng)域的先驅(qū)保羅·狄拉克(Paul Dirac)注意到，這種新物理領(lǐng)域的深?yuàn)W數(shù)學(xué)中隱藏著某種有趣的東西。
來做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，如果宇宙中有一個(gè)磁單極存在的話，你把它和一個(gè)普通的電荷配對，那么這兩個(gè)粒子就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)與距離無關(guān)，無論這兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)它們都會(huì)開始旋轉(zhuǎn)。但是狄拉克知道角動(dòng)量(在一個(gè)圓中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量，就像在這對旋轉(zhuǎn)粒子中的一樣)是量子化的——在我們的宇宙中角動(dòng)量是離散的。所有的物體都是這樣的，包括我們這對奇特的粒子。
這就是問題所在：使用這個(gè)推理，狄拉克意識到如果角動(dòng)量是量子化的話，那么這些粒子上的電荷也必須是量子化的。而由于這一效應(yīng)與距離無關(guān)，所以如果在整個(gè)宇宙中，存在那么一個(gè)磁單極，那這將直接導(dǎo)致電荷的量子化，在此之前，我們一直認(rèn)為電荷量子化是沒有理論依據(jù)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。
磁鐵是狹義相對論的關(guān)鍵
麥克斯韋爾(James Clerk Maxwell)發(fā)現(xiàn)的電磁之間的聯(lián)系并非是膚淺的。他意識到它們是同一硬幣的兩個(gè)面，而這個(gè)硬幣就是“電磁”。變化的電場可以產(chǎn)生磁場，反之亦然;此外，一種被稱為光的現(xiàn)象僅僅也只是電磁開始相互擺動(dòng)時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象而已。
愛因斯坦是麥克斯韋研究成果的頭號粉絲，他將這個(gè)研究成果往前再推進(jìn)了一步。他意識到電、磁和運(yùn)動(dòng)之間是有聯(lián)系的。來，重新開始想象一下，同樣，一個(gè)單獨(dú)的、靜止的帶電粒子，產(chǎn)生著同樣無聊的電場，但如果你開始在它旁邊跑步經(jīng)過呢?你猜猜會(huì)發(fā)生什么?
從你的角度來看，電荷是運(yùn)動(dòng)的。那么我們重新回想一下，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)怎么樣來著?不錯(cuò)，它們會(huì)產(chǎn)生磁場。所以，電場和磁場不僅僅是一枚硬幣的兩個(gè)面，而且你還可以通過簡單的運(yùn)動(dòng)來將它們相互轉(zhuǎn)換。這也意味著不同的觀察者會(huì)對他們所看到東西的產(chǎn)生不同的看法：一些固定的觀察者可能會(huì)看到一個(gè)電場，而一個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的觀察者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)源頭正在產(chǎn)生磁場。
正是這種思想指引愛因斯坦走上了一條發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)在稱之為狹義相對論的道路，從而奠定了現(xiàn)代科學(xué)的基石，所有的這些我們都得要感謝默默無聞的磁場。
