罕見!這篇Science,中文署名!中國青年學者找到宇宙中最神秘的粒子

在《生活大爆炸》裏,謝耳朵為了他的弦理論研究,曾和他的三比特小夥伴一同前往磁北極尋找磁單極子。謝耳朵還一度以為已經證明了磁單極子的存在,相信自己會囙此拿到諾貝爾獎。雖然謝耳朵的磁單極子最後被證明是烏龍,但在科學界,確實有無數科學家正在追尋這種神奇的假想粒子。這樣,電磁現象的完全對稱性才能得到保證。

尋找宇宙中最神秘的粒子——磁單極子

在《生活大爆炸》裏,謝耳朵為了他的弦理論研究,曾和他的三比特小夥伴一同前往磁北極尋找磁單極子。謝耳朵還一度以為已經證明了磁單極子的存在,相信自己會囙此拿到諾貝爾獎。

雖然謝耳朵的磁單極子最後被證明是烏龍,但在科學界,確實有無數科學家正在追尋這種神奇的假想粒子。

《生活大爆炸》劇照

學過中學物理的同學都知道,磁鐵有南極和北極兩個磁極,不存在只有一個磁極的磁鐵。

但是,早在1931年,英國物理學家保羅·狄拉克(Dirac)就利用優美的數學公式和深刻的物理洞察力,從理論上預言:自然界中存在一種只帶單一磁極的粒子,叫磁單極子。他認為,電和磁在本質上是一種力,如果正負電荷可以單獨存在,就像只帶負電荷的電子那樣,那麼只帶一個磁極的粒子理應存在。這樣,電磁現象的完全對稱性才能得到保證。

磁單極子的模型示意圖

狄拉克的磁單極子假設一經提出便震驚了整個物理學界,隨後在許多前沿理論中都使用到這個概念:比如大統一理論(GUTs)預言,宇宙存在大量的磁單極子,其質量是質子的10的16次方倍;弦理論也可以證明超重磁單極子的存在,並指出超重磁單極子是在宇宙演化極早期的超高溫度中產生的;甚至,暗物質的研究也需要用到磁單極子。

磁單極子存在或不存在?

理論上來說,磁單極子應該產生於早期宇宙中,而且它們是穩定的,囙此應該有一個大爆炸後遺留下的磁單極子的遺跡通量,仍然滲透在所有空間中。

如果我們能够在自然界中發現磁單極子,就可以:

解釋電荷的量子化;

在根本上改變我們對電磁學的理解;

為大統一理論和絃理論提供更多的洞見;

對天體物理學和宇宙學有革命性的影響。因為如果在對撞機中能够發現磁單極子,那麼它們也應該在早期的宇宙中產生。

近百年來,物理學家孜孜不倦地尋找磁單極子,比如在月面物質樣本中尋找;在宇宙塵埃中尋找;或者在實驗室中通過粒子加速器尋找。遺憾的是,直到今天,它們從未被探測到。

磁單極子:存在或不存在?|圖片來源:Corinne Mucha

在物理學中,磁單極子分為向量單極子和張量單極子。狄拉克提出的磁單極子和華裔物理學家、諾貝爾物理學獎得主楊振寧教授提出的Yang磁單極子屬於向量規範勢產生的單極子,磁荷是量子化的,並由拓撲陳數刻畫。據瞭解,Dirac磁單極子存在於三維空間,Yang磁單極子存在於五維空間,這類向量磁單極在凝態和人工量子體系中已經得到了廣泛的研究和觀察。

而張量磁單極是一種存在四維空間的獨特磁單極,磁荷由所謂的Dixmier-Douady拓撲不變數刻畫。張量磁單極在弦理論中具有關鍵作用。然而,引起張量規範場的張量磁單極現時仍然鮮為人知,尚未被觀測到。

MIT科學家在金剛石色心中觀測到張量磁單極子

近日,來自美國麻省理工學院(MIT)和布魯塞爾自由大學的一個國際研究小組首次在金剛石色心中觀測到了四維參量空間中的張量磁單極。研究人員通過在由金剛石氮空位中單個固態缺陷的自旋自由度定義的四維參數空間中合成張量磁單極,並調製了一個施加的微波脈衝來量測從張量磁單極及其拓撲電荷發出的“磁場”--Kalb-Ramond場。

合成張量單極子的參數調製

相關研究成果以“A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond”為題,發表在Science上。論文的第一作者為MIT的陳墨(Chen Mo,本科畢業於復旦大學)和Li changhao博士(西安交大畢業生),MIT核科學與工程和物理學教授Paola Cappellaro為論文的通訊作者。值得一提的是,在作者那欄,陳墨博士的名字赫然顯示的是英文+漢字!

陳墨博士,Paola Cappellaro教授和Li changhao博士

此外,通過引入一個打破手征對稱性的虛構外場,研究人員進一步觀察到了一個有趣的光譜躍遷,其特徵是受鏡像對稱性保護的光譜環。這項工作證實了類比受弦理論啟發的奇异拓撲結構的可能性。

由外部場觸發的光譜轉換

磁單極子的未來應用場景

磁單極子的發現意義重大,能够使新能源的利用和開發邁進一大步。而最貼近人們生活的,就是磁懸浮列車的製造技術將有質的飛躍,因為通過利用磁單極子可以在車的懸浮運行中消除磁損耗和熱損耗,使車行更安全、更經濟。

設想一下,如果我們擁有一個僅具有南極或者北極的物體,那麼它的很多應用都不會受到另一個磁極的影響。這就意味著,真正意義上的直流發電機將離我們不再遙遠。

參考文獻:

Chen et al.,A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond.Science375,1017–1020(2022).DOI: 10.1126/science.abe6437

資料標籤: 張量 科學 弦理論
本文標題: 罕見!這篇Science,中文署名!中國青年學者找到宇宙中最神秘的粒子
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656005092779500
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