磁场无处不在 来了解下关于磁物理学的三个有趣事实

磁铁和磁力在我们的日常生活中无处不在。磁针可以帮助我们在陌生的地方找到方向，而冰箱磁铁可以在冰箱门上贴儿童照片。除了这些常见的例子，磁场在宇宙中也扮演着重要的角色。有时，磁场会对周围环境产生重大影响，例如在危险的磁星环境中，以及广泛使用的核磁共振扫描仪。然而，在大多数情况下，磁场只是简单地存在，并且受到其他更强的力的影响。虽然不是很令人印象深刻，但在磁学中仍有一些鲜为人知的秘密。

欧空局-克里斯托夫·卡劳。

磁力源于运动。

带电荷的单个粒子，尽管什么也不做，也会产生电场。这个电场围绕着粒子，并将引导其他带电粒子进行相应的运动。如果附近有相同电荷的粒子，它将被推开。如果它是带相反电荷的粒子，两者将会彼此靠近。

然而，如果你让这个电荷移动，一些令人惊讶的事情会发生:一个新的领域出现了！这个奇怪的场表现出一种不寻常的行为:它不直接指向或远离电荷，而是围绕电荷旋转，并且总是垂直于电荷的运动方向。更重要的是，只有当附近的带电粒子处于相同的运动状态时，它们才能感受到这个新的场，并且它感受到的力垂直于它的运动方向。

这个场也就是我们所说的磁场。它不仅由运动中的电荷产生，而且只影响运动中的电荷。然而，冰箱磁铁不会移动。为什么它有磁性？

你的冰箱磁铁不动了，但是制造它的材料在动。在磁铁中，每个原子都有一层又一层的电子，它们是具有自旋性质的带电粒子。自旋是一个非常深刻和量化的特征。为了说明磁场，我们可以把电子想象成微小的旋转金属球(当然，我们都知道这种想象完全不准确)。

这些电子是运动中的电荷，每个电子都能产生自己的微小磁场。在大多数物质中，电子有不同的运动方向，并在宏观尺度上相互抵消。然而，在磁体中，大量的电子将按顺序排列，产生足够的磁场来将冰箱磁体粘附到冰箱上。

磁单极可能存在

因为我们在宇宙中看到的所有磁场都是由运动中的电荷产生的，所以你永远无法将磁性北极和磁性南极分开。它们总是成对存在。如果你把一块磁铁切成两半，你会得到两块磁力快速下降的磁铁。它们内部的电子仍在移动，“自动”产生新的磁场来重新排列北极和南极。

磁铁的这一特性是如此的广为人知，以至于英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在他著名的麦克斯韦方程中直接得出结论，“磁单极不存在”。麦克斯韦阐述了电和磁的关系，并介绍了电磁场的概念。多年来，人们一直相信“磁单极不存在”。然而，随着我们开始观察神奇而奇特的亚原子世界，随着科学家们对量子力学理解的加深，磁单极子已经成为物理学领域的重要研究课题之一。量子物理学的先驱之一，英国物理学家保罗·狄拉克，注意到在磁单极假设的数学推理中隐藏着一些有趣的东西。

让我们做一个思维实验。如果磁单极子存在，并且你把它和普通电荷配对，两者就会开始旋转。这种旋转实际上与距离无关；不管它们相距多远，它们都会旋转。但是狄拉克知道角动量(圆形式的动量，就像电荷和磁单极子相互旋转一样)是量子化的——在我们的宇宙中角动量是离散的。一切都一样，包括这对电荷和磁单极子。

然后狄拉克意识到，如果角动量被量子化，那么这些粒子上的电荷也必须被量子化。然而，由于这种效应与距离无关，如果在整个宇宙中存在磁单极子，它将导致电荷的量子化，这就是“狄拉克量子化条件”。物理学家的实验发现电荷的基本单位是基本电荷，这与磁单极子的存在是一致的，但磁单极子的存在尚未得到证实。

磁性是狭义相对论的关键

詹姆斯.麦克斯韦发现电和磁之间的联系并不简单。他意识到这两者实际上是同一个硬币的两面——电磁学。电场的变化会产生磁场，反之亦然。更重要的是，他指出光现象实际上是在电和磁相互干扰时产生的。

麦克斯韦关于光和电磁理论之间定量联系的开创性工作被认为是19世纪数学和物理领域最伟大的成就之一，也深深地影响了后来的物理学家，包括爱因斯坦。爱因斯坦把麦克斯韦的工作向前推进了一步，认识到电、磁和运动之间有联系。让我们从单个电荷及其电场开始。当你跑过它时会发生什么？

从你的观点来看，电荷似乎在运动。那么，运动中的电荷是做什么的？是的，它们产生磁场。因此，不仅电场和磁场是同一个硬币的两面，而且你可以通过移动来改变它们。这也意味着不同的观察者会看到不同的场景:一个静止的观察者会看到一个电场，而一个更加移动的观察者会发现一个由同一个源产生的磁场。

正是这种思想促使爱因斯坦提出了现代科学的基石——狭义相对论。为此，我们首先应该感谢磁场。