科学家们正在寻找一种看似矛盾的东西：只有一极的磁铁

小时候，詹姆斯·平福德（James Pinfold）酷爱磁铁。他回忆起对这种无形力量的惊叹，它能让金属物体相互吸引或排斥。出于好奇，他曾将一块条形磁铁锯成两半，试图分离其北极和南极。和平福德一样，任何尝试过的人最终都只得到了两块更小的两极磁铁。“我当时想，‘这太神奇了，’”现在是阿尔伯塔大学物理学家的平福德说，“为什么不能有独立的磁极呢？”

他从未停止过提出这个问题。平福德现在领导着一项实验，旨在寻找带有单一磁荷的理论粒子——只有北极而没有南极，反之亦然。这些被称为磁单极子的粒子在物理学家提出的许多统一自然基本力的理论中似乎完全可能，甚至是不可避免的。

然而，这些恼人的粒子几十年来一直逃脱科学的掌握。研究人员曾在天空中、海水中和冰中寻找它们。他们仔细检查了来自北极和南极的岩石样本，在陨石和月尘中搜寻，并在近十亿年前的矿石中寻找它们的踪迹。在科学史上，可以说没有什么比磁单极子在时空上被搜索得更多了。然而，仍然一无所获。

但物理学家们无意放弃。平福德在价值40亿美元的大型强子对撞机（LHC）进行的实验正在筛选亚原子碎片，寻找单极子特征，科学家们也密切关注着从太空中坠落的宇宙单极子。甚至有可能我们已经发现了这些恼人的东西。

为何如此大费周章？磁单极子可能有助于打破当前粒子物理学的僵局。一个被称为标准模型的框架，经过几十年的构建，用量子力学的精确语言描述了自然界四种基本力中的三种及其伴随粒子。它是科学史上最成功的理论之一，但仍不完整。例如，它无法解释引力。也无法解释暗物质这个难题，这种神秘物质的数量是普通物质的5倍。

磁单极子，一种全新的粒子，可能会指明前进的方向。“一个单极子将使我们远远超越当前的标准模型，”平福德说。单极子可以揭示如何结合三种标准力，使科学家们离所谓的万有理论更近一步，将所有物理学统一在一个屋檐下。人类最终将能够理解宇宙的全部行为。

但首先：寻找。

一个持续存在的问题

难以捉摸的磁单极子难题可以追溯到150多年前。在19世纪60年代，苏格兰数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦设计了将磁学和电学现象紧密结合的方程。它们都是同一种基本力——电磁学的表现。

在他的方程中，麦克斯韦包含了已知的电的正电荷和负电荷。这些相反的电荷很容易分开：用气球摩擦你的头发，让头发因获得额外的静电荷而竖起，你就做到了。但是，因为磁性似乎总是以两极的形式出现——那些连在一起的北极和南极，称为偶极子——他没有在理论中包含单独的磁荷。

麦克斯韦的范式在没有磁荷的情况下运行良好；他的见解使大多数现代技术成为可能，从发电到无线通信再到计算机。

然而，20世纪的理论发展明确地证明了单极子的存在。1931年，英国理论物理学家保罗·狄拉克表明量子力学允许这种粒子存在，到20世纪70年代，单极子作为大统一理论的必然结果而出现。

这个框架将自然界的三种基本力——强力、弱力和电磁力——结合成一个单一的实体。但这种统一只有在宇宙诞生时极其炽热、高能的展开中才可能实现，即大爆炸。此外，弦理论，它提出力与粒子都源于微小弦状单元的振动，再次为单极子点赞。

有了所有关于单极子的间接理论证据，世界顶尖的弦理论家之一，加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基在2002年评论说，它们的存在是“人们可以对尚未被发现的物理学做出最稳妥的押注之一。”16年后，在他2018年2月去世前，他仍然坚持这一说法。“无论何时你进入一个完全统一的物理理论，”他说，“你总是会发现磁单极子随之而来。”

单极子的基本特征描述它们为携带磁荷的基本粒子。它们将类似于携带电荷的粒子，电子和夸克，它们构成了我们周围的物质。

单极子的行为方式也很熟悉：同性电荷会相互排斥，而异性电荷会相互吸引。这些粒子可能具有相当大的质量。科学家们相信它们会以可预测且最终可检测的方式与日常物质相互作用。

“在最基本的层面上，这就是我们认为单极子值得寻找的原因，”理论物理学家阿尔图·拉扬蒂（Arttu Rajantie）说。“我们确实知道它们会如何表现。”

也许是单极子？

尽管物理学家们正努力寻找磁单极子，但几十年前的发现表明我们可能已经偶然发现了它们。

1982年2月14日，斯坦福大学的研究人员在超导环上检测到了一种特有的电流，这被认为是只有磁单极子才能产生的。三年后，在伦敦帝国理工学院，又出现了一种无法解释的电流，也与理论预测完美匹配。由于没有其他探测器报告过此类事件，许多科学家将这些信号视为无法解释的仪器误差或背景噪声。但如果真是如此，物理学家詹姆斯·平福德认为，那么多年来肯定会发生其他虚假的、可能可以解释的探测。“要出现一个完全模拟单极子信号的问题确实非常困难，”他说。

甚至更早，在1973年，由加州大学伯克利分校领导的一个团队发射了一个装有多个探测器的气球，其中包括类似大型强子对撞机MoEDAL探测器所用的塑料片。在爱荷华州苏城附近，一个沉重且诱人的单极子状物体以极快的速度穿过了这个空中探测器——尽管它更可能是一个来自深空的宇宙射线，是重元素的原子核。再次，缺乏后续事件让科学家们感到沮丧，但也充满好奇。

MoEDAL探测器

拉扬蒂的名字阿尔图（Arttu）发音像《星球大战》中的R2-D2；这个讨人喜欢的小机器人玩具就放在他在伦敦帝国理工学院办公室的电脑上。从那里，拉扬蒂偶尔会去瑞士日内瓦的大型强子对撞机，在那里他参与平福德的项目，追踪磁单极子的踪迹。这个名为MoEDAL（读作“medal”，意为大型强子对撞机的单极子和奇异物质探测器）的合作项目汇集了来自四大洲的约70人。MoEDAL仪器于2015年开始收集数据，并将持续到大型强子对撞机目前的运行期（今年12月结束），很可能还会持续到2020年至2022年的下一个运行期。

参观大型强子对撞机的人可能不会多看MoEDAL一眼；它看起来像一套银色金属储物柜。MoEDAL与大型强子对撞机项目的一个预算庞大、房屋大小的实验共用一个地下洞穴，该实验被称为LHCb。这个项目探测“美丽”夸克，这些短命粒子是从两束质子（以接近光速的速度飞行）的正面碰撞中喷射出来的。这些光束穿过两条长约17英里、环形大型强子对撞机的管道，而质子烟花表演就发生在MoEDAL的洞穴内。

MoEDAL的储物柜式探测器环绕着碰撞点，等待可能从混战中离开的任何磁单极子。粒子会穿过MoEDAL隔间中薄薄的塑料片，留下永久性的、超薄的破坏痕迹。“MoEDAL就像一台巨大的相机，”平福德说，而塑料片“就像它的胶卷。”如果他的团队在胶卷上发现一排对齐的小孔，指向大型强子对撞机的质子碰撞点，平福德和他的团队就会准备开香槟庆祝了。

“MoEDAL只探测新物理学，”他说。“没有任何已知的标准模型粒子能在我们的塑料中留下这样的痕迹。”因此，探测器不仅能发现单极子，还能发现各种奇异的粒子。“只要一次探测事件就足以证明发生了奇妙的事情，”平福德说。

MoEDAL内部的第二种探测器由铝制成，在单极子搜寻方面更胜一筹，因为它实际上能够捕获这些叛逆粒子。“如果一个磁单极子穿过铝，它会减速并被困住，”拉扬蒂说。研究人员可以通过让铝穿过超导环来了解它的存在——这是一种可以检测微弱磁场的装置。普通的偶极磁铁会在环中产生两个电流，它们会相互抵消；然而，一个单独的磁极会触发持续的电流。“没有办法伪造被捕获单极子的信号，”平福德说。

他们的单极子陷阱就这样设置好了，现在研究人员要做的就是观察和等待，祈祷能有所发现。

天然单极子

在世界的另一端，科学家们正在采取不同的方法。这些物理学家不是寻找人工粒子碰撞产生的、人造的单极子，而是在寻找天然的宇宙单极子，它们最初是在大爆炸的熔炉中锻造，然后从太空中落到地球。这些单极子的大小范围很广，从超重型到较轻型，而且它们移动的速度也截然不同，最快的在磁场的作用下以接近光速的速度运动。

快速移动的单极子是皮埃尔·奥格天文台的目标。奥格天文台横跨阿根廷西部安第斯山脉下的平原，主要探测宇宙射线，这些是穿越宇宙的能量极高的粒子。当宇宙射线进入我们的空域时，它们首先会摧毁地球大气层中一些倒霉的分子。撞击产生的碎片随后会引发数十亿粒子的级联反应，被称为空气簇射，它们会向地面炽热地落下并发出特有的紫外线。

如果幸运的话，奥格天文台的紫外线望远镜也能探测到正在坠落的宇宙单极子。这种差异很容易识别：宇宙射线在紫外线能量方面早期达到峰值，然后随着其空气簇射的消散而减弱。而更坚固的单极子在下落时会持续产生能量。

“一切都基于单极子与探测器中物质相互作用的事实，”芝加哥大学的天体物理学家、奥格天文台的首席研究员保罗·普里维特拉（Paolo Privitera）说。在MoEDAL的情况下，探测器是塑料和铝。“在我们的例子中，”他说，“是空气，是大气。”

到目前为止，在奥格天文台上空尚未探测到任何单极子。但如果使用天文台的主要宇宙射线探测器，即散布在1200平方英里（略小于罗德岛州）的近1700个充满水的水箱，捕获它们的几率应该会大大提高。宇宙射线空气簇射中的高能粒子穿过水的速度比光速还快。（光只有在太空真空中才能以其无与伦比的最高速度移动。）当它们这样做时，粒子会发出可探测的光闪，称为切伦科夫辐射，类似于光学音爆。单极子粒子簇射也应该产生这种效应，使得水箱成为发现它们的同样有用的工具。奥格天文台的研究人员目前正在研究如何将它们与宇宙射线区分开来。

另一个观测站，南极的冰立方中微子天文台，既不用空气也不用液态水，而是用冰作为它的单极子拖网。该项目的科学家们已经将数十条缆线，上面镶嵌着数千个传感器，沉入到四分之一立方英里的原始南极冰层中。这些传感器的主要任务是探测被称为中微子的幽灵粒子，这些粒子与冰分子相互作用，产生快速移动的带电粒子，这些粒子也会产生切伦科夫光。

快速移动的单极子同样会发出这种光，相对质量较大的慢速单极子也会发出——但原因不同。这些单极子产生于大爆炸早期的大统一时代，当时三种基本力合而为一，它们会保留极端能量密度的痕迹，在那里，标准模型粒子和力之间的差异消失了。“大统一单极子在其微小的核心中包含着一点大爆炸的痕迹，那时所有力都是平等的，”平福德说。当冰中的质子暴露在单极子的核心，也就是基本粒子差异消失的地方时，质子会衰变，其组成夸克会转化为其他粒子类型，包括正电子，正电子可以产生可探测的切伦科夫光。

截至2015年，当他们发布关于该主题的最新主要报告时，研究人员根据两年数据，尚未用冰立方探测到任何单极子。但再次强调，耐心等待可能最终会有所回报。

一个磁性未来

如果磁单极子确实出现在地球附近，或粒子碰撞的残骸中，我们就会知道。如果有人，在某个地方，真的能够明确无误地捕获这些小家伙中的一个，那么真正的乐趣就开始了。驯服单极子可能很容易，只需施加普通的电磁场，就能让粒子随我们心意而动。单极子可能会以磁流而非电流的形式流动，为涉及“磁电”的“磁子”技术铺平道路，也许会应用于超紧凑数据存储或完全重新设计的计算机架构。

至于科学实验，研究新粒子最终可能会实现那些大统一理论乃至万有理论。进入这个新的物理学领域可能需要将单极子撞击在一起的原始刺激。“如果能找到它们，”拉扬蒂说，“最终我们粒子物理学家希望做的就是拥有一个对撞机，在那里我们将单极子与其他东西碰撞，看看会产生什么。”谁知道呢，也许大型强子对撞机（LHC）会演变成一个大型单极子对撞机（LMC）。

最后，平福德和像他一样一直好奇为什么磁铁不能分裂成单独的北极或南极的人，将得到一个答案。

“磁单极子像一根金线一样贯穿现代宇宙理论的发展，”平福德说。“如果我们真的看到它，那将是一个非常重大的发现。”

时髦新物理学

尽管磁单极子是MoEDAL所寻找的大鱼，但这项实验也可能捕获许多有趣的副产物。以下是一些可能在MoEDAL探测系统中留下异常轨迹的其他奇异现象。

黑洞残余。大型强子对撞机中的粒子碰撞可能会产生微型黑洞。（别担心，这些微粒无法吞噬地球。）已故的斯蒂芬·霍金认为这些小物体会迅速失去质量并蒸发，但也许会留下残余粒子。这些残余物将有助于弥合宇宙最大和最小尺度上不兼容的理论，并可能构成目前尚未解释的大部分暗物质。

奇异夸克团（Strangelets）。日常物质原子中的质子和中子由“上”夸克和“下”夸克组成。然而，所谓的奇异物质，将更重的“奇异”夸克掺入其中，形成称为奇异夸克团的粒子。这种假设的物质可能具有比普通物质更低的能量状态，使其更加稳定。爆炸后巨大的恒星——目前称为中子星——的致密残余物可能由这种物质构成，这就需要一个更酷的名称：奇异星。

超对称粒子（Sparticles）。超对称理论提出，每个已知的基本粒子都有一个伴侣粒子。例如，夸克将由超夸克补充；电子则由超电子补充。这些超对称粒子可能存在于我们不了解的额外空间维度中。如果是这样，那将解释为什么引力与其他自然力相比如此微弱——它主要存在于我们自己的领域之外。