思想將被引爆！小小的磁場引發出了偉大的狹義相對論！

磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，幫助我們在不熟悉的領域找到方向，在生活中，我們可以依靠磁鐵做許多事情，比如在牆壁上貼東西等。但除了這些常見的例子，磁場似乎總是在宇宙力量的戰爭中起次要作用。在大多數情況下，它們只是被它們更強大的同類推來推去。

近日，科學家公布了關於磁體物理學的三個令人驚訝的事實！或許將改變你的「磁」的更深理解。

磁鐵只對運動起作用

一個孤獨帶電荷的粒子，什麼事也不做就能產生電場。這個場在粒子四周環繞，並指示其他帶電粒子如何響應。如果附近有帶電粒子，它就會被推開。如果一個相對帶電的粒子離我們很遠，它就會被輕輕拉近。

但是如果你把電荷轉化為運動，會發生一件令人驚訝的事情:一個新的場出現了!這個奇特的場以一種奇怪的方式運動:它不是直接指向或遠離電荷，而是繞著電荷旋轉，總是垂直於運動的方向。更重要的是，一個附近的帶電粒子只有在這個粒子也在運動的情況下才會感覺到這個新的場，而且它感受到的力也垂直於它運動的方向。

這個場，為了方便起見，我們叫它磁場，它是由移動電荷引起的，隻影響移動電荷。磁鐵中的每一個原子都有一層又一層的電子，而電子是帶有自旋性質的帶電粒子。自旋是一種基本的量子性質，雖然從技術上講，把電子看作是微小的自旋金屬球是不正確的……出於磁性的目的，我們可以把電子看作是微小的自旋金屬球。這些電子是運動中的電荷，每個電子產生自己的極微小的磁場。在大多數材料中，電子的不同方向抵消了任何宏觀磁場，但磁鐵正是那種有許多電子整齊排列的材料，使磁場大到足以把東西粘到冰箱上。

可能存在磁單極子

因為我們在宇宙中看到的所有磁場都是由移動的電荷產生的，所以你永遠不能把南北磁極(「單極子」)分開。他們總是成對來的。如果你把一塊磁鐵切成兩半，就會得到兩塊更小、更弱的磁鐵——它們的內部電子仍在旋轉，一如既往。

磁體的這種性質過去(現在也是)是眾所周知的，以致於詹姆斯?克拉克?麥克斯韋(James Clerk Maxwell)——那個發現電和磁是聯繫在一起的傢伙——只是把「沒有磁單極子這樣的東西」這句話硬塞進了他的方程，然後就不管它了。幾十年來，我們沒有理由懷疑，所以我們聽之任之。但是，當我們的眼睛開始注視著這個奇妙的亞原子世界時，我們對量子力學的理解不斷加深，而量子領域的先驅保羅?狄拉克(Paul Dirac)注意到，這種新物理學深奧的數學中潛藏著某種有趣的東西。

如果幻想中的實驗中有一個磁單極子存在，然後你把它和一個普通的熟悉的電荷配對，那麼這兩個單極子就會開始旋轉。這個旋轉實際上與距離無關;這兩個粒子相距多遠並不重要。但是狄拉克知道角動量(在這個旋轉的對中，動量在一個圓中運動)是量子化的——而在我們的宇宙中角動量是離散的。所有的事情都是如此，包括我們這對奇特的磁單極子。

這就是問題所在:使用這個推理，狄拉克意識到如果角動量是量子化的，那麼這些粒子上的電荷也必須量子化。由於這一效應與距離無關，如果整個宇宙中存在一個磁單極子，那麼這將直接導致電荷的量子化，在此之前，我們一直認為電荷量子化是沒有理論依據的實驗事實。

磁是狹義相對論的關鍵

麥克斯韋爾(James Clerk Maxwell)發現的電磁之間的聯繫並非意外。他意識到它們是同一硬幣的兩面——電磁。變化的電場可以產生磁場，反之亦然。而愛因斯坦是麥克斯韋的超級粉絲，但是他更進一步，他意識到電、磁和運動之間有聯繫。從你的角度來看，電荷是移動的。沒錯，它們產生磁場。所以，不僅電場和磁場是一枚硬幣的兩面，而且你可以通過簡單的移動來將它們相互轉換。這也意味著不同的觀察者會對他們所看到的產生不同的看法:一些固定的觀察者可能會看到一個電場，而一個移動的觀察者可能會發現產生磁場的同一個源。

正是這種思想指引愛因斯坦走上了一條我們現在稱之為狹義相對論的道路，狹義相對論是現代科學的基石。我們要感謝這個小小的磁場。

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