磁鐵和磁力在我們的日常生活中無(wú)處不在，磁針可以幫助我們?cè)诓皇煜さ牡胤秸业椒较�，而冰箱貼可以將孩子的畫(huà)固定在冰箱門(mén)上。除了這些常見(jiàn)的例子，磁場(chǎng)還在宇宙中扮演著重要角色。有時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生重大的影響，比如在危險(xiǎn)的磁星環(huán)境，以及用途很廣的核磁共振掃描儀。不過(guò)，在大多數(shù)情況下，磁場(chǎng)只是簡(jiǎn)單地存在，并受到其他更強(qiáng)作用力的影響。雖然不是很起眼，但磁物理學(xué)中還是蘊(yùn)含著一些鮮為人知的秘密。

　　ESA - Christophe Carreau.

　　磁力源于運(yùn)動(dòng)

　　帶有電荷的單個(gè)粒子，盡管什么都不做，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)圍繞在粒子周圍，會(huì)引導(dǎo)其他帶電粒子做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。如果附近有一個(gè)帶同樣電荷的粒子，那它就會(huì)被推開(kāi)；如果是帶相反電荷的粒子，那二者就會(huì)互相靠近。

　　但是，如果你讓這個(gè)電荷運(yùn)動(dòng)起來(lái)，就會(huì)發(fā)生令人驚訝的事情：一個(gè)新的場(chǎng)出現(xiàn)了！這個(gè)奇怪的場(chǎng)表現(xiàn)出與眾不同的行為方式：它不是直接指向或遠(yuǎn)離電荷，而是圍繞著電荷旋轉(zhuǎn)，總是垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向。更重要的是，附近的帶電粒子只有在同樣處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，才能感受到這個(gè)新的場(chǎng)，而它感受到的作用力又是垂直于它的運(yùn)動(dòng)方向。

　　這個(gè)場(chǎng)也就是我們所說(shuō)的磁場(chǎng)，它既是由運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生的，同時(shí)也只影響運(yùn)動(dòng)中的電荷。但是，冰箱貼并不會(huì)運(yùn)動(dòng)，它為什么有磁力呢？

　　你的冰箱貼磁鐵沒(méi)有在運(yùn)動(dòng)，但是構(gòu)成它的物質(zhì)正在運(yùn)動(dòng)。在磁鐵中，每個(gè)原子都具有一層又一層的電子，而電子是具有自旋性質(zhì)的帶電粒子。自旋是一種十分深?yuàn)W而且量子化的特征。為了闡述磁場(chǎng)，我們可以將電子想象成微小的旋轉(zhuǎn)金屬球（當(dāng)然我們都知道，這樣想象嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是很不準(zhǔn)確的）。

　　這些電子都是運(yùn)動(dòng)中的電荷，而每個(gè)電子都能產(chǎn)生自己的微小磁場(chǎng)。在大多數(shù)物質(zhì)中，電子具有不同的運(yùn)動(dòng)方向，并在宏觀尺度上相互抵消；但是在磁體中，大量的電子會(huì)排列整齊，產(chǎn)生足以將冰箱貼粘附在冰箱上的磁場(chǎng)。

　　磁單極子可能存在

　　由于我們?cè)谟钪嬷幸?jiàn)到的所有磁場(chǎng)都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生的，因此，你永遠(yuǎn)無(wú)法將磁北極和磁南極分開(kāi)，它們永遠(yuǎn)成對(duì)存在。如果你將一塊磁鐵切成兩半，你會(huì)得到兩快磁力變小的磁鐵；它們內(nèi)部的電子依然在不斷運(yùn)動(dòng)，“自動(dòng)地”產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，重新編排北極和南極。

　　磁體的這種性質(zhì)眾所周知，以至于英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在他著名的麥克斯韋方程組中，直接斷定“磁單極子不存在”。麥克斯韋闡述了電和磁兩種現(xiàn)象之間的關(guān)系，并引入了電磁場(chǎng)的概念。多年以來(lái)，人們一直對(duì)“磁單極子不存在”的觀點(diǎn)深信不疑，但隨著我們開(kāi)始觀察到神奇而古怪的亞原子世界，隨著科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的了解日益加深，磁單極子又成為物理學(xué)界重要的研究主題之一。量子物理學(xué)的先驅(qū)之一、英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）注意到，在磁單極子假說(shuō)的數(shù)學(xué)推理中，隱藏著一些有趣的東西。