19世紀(jì)初，人們對(duì)電和磁知之甚少。人們知道電荷分為兩種類型，同性電荷排斥，異性電荷吸引，運(yùn)動(dòng)中的電荷產(chǎn)生電流。他們還知道永磁體，其中一側(cè)充當(dāng)“北極”，另一側(cè)充當(dāng)“南極”。然而，如果把一塊永磁體切成兩半，不管把它切得多小，永遠(yuǎn)不會(huì)得到單獨(dú)的南極或北極：磁荷只以偶極子結(jié)構(gòu)成對(duì)出現(xiàn)。

在整個(gè)19世紀(jì)，一系列的發(fā)現(xiàn)幫助我們理解電磁宇宙。人們開(kāi)始了解感應(yīng)：移動(dòng)的電荷如何產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及變化的磁場(chǎng)如何反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電流。我們還了解了電磁輻射，以及加速電荷如何發(fā)射各種波長(zhǎng)的光。當(dāng)我們把所有的知識(shí)放在一起時(shí)，我們知道宇宙在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電荷之間不是對(duì)稱的：麥克斯韋方程只包含電荷和電流而沒(méi)有磁荷和磁流，我們觀察到的唯一的磁性性質(zhì)是由電荷和電流引起的。

事實(shí)上，如果你愿意的話，很容易從數(shù)學(xué)修改麥克斯韋方程組，讓它包含基本的磁荷：只需添加物體本身固有的單獨(dú)的“北極”或“南極”。當(dāng)你引入這些額外的項(xiàng)時(shí)，麥克斯韋方程組得到了修正，變得完全對(duì)稱。突然之間，磁感應(yīng)也以另一種方式起作用：移動(dòng)的磁荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而改變的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁流，導(dǎo)致磁荷在可以攜帶磁流的材料中移動(dòng)并加速。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，所有這些都只是單純的空想，直到我們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到對(duì)稱性在物理學(xué)中所扮演的角色以及宇宙的量子性質(zhì)。非常有可能，在某個(gè)更高的能量狀態(tài)下，電磁學(xué)在電磁分量之間是對(duì)稱的，而我們生活在那個(gè)世界的低能量、對(duì)稱破壞的版本中。

1931年，保羅·狄拉克展示了一些非凡的東西：如果在宇宙的任何地方哪怕有一個(gè)磁荷，那么從量子力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，電荷在任何地方都應(yīng)該量子化。這很有趣，因?yàn)楹髞?lái)觀察到電荷被量化。然而，這些都沒(méi)有提供任何證據(jù)證明磁單極子確實(shí)存在，它只是表明它們可能存在。

在理論方面，量子力學(xué)很快被量子化的量子場(chǎng)論所取代。為了描述電磁學(xué)，我們引入了一個(gè)稱為U(1)的規(guī)范群，這個(gè)規(guī)范群至今仍在使用。在規(guī)范理論中，只有當(dāng)規(guī)范群U(1)是緊致的，與電磁學(xué)有關(guān)的基本電荷才會(huì)被量子化。然而，如果U(1)規(guī)范群是緊致的，我們?nèi)匀粫?huì)得到磁單極子。再一次，沒(méi)有理由認(rèn)為磁單極子不應(yīng)該存在。

幾十年來(lái)，即使在數(shù)學(xué)上取得了無(wú)數(shù)的進(jìn)步，磁單極子的概念仍然只是停留在理論家的頭腦深處，沒(méi)有取得任何實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但是在1974年，在我們認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)模型的完整結(jié)構(gòu)(在群論中，標(biāo)準(zhǔn)模型是由SU(3)×SU(2)×U(1)描述的)幾年后，物理學(xué)家開(kāi)始考慮統(tǒng)一的想法。

雖然在低能量下，SU(2)描述了弱相互作用，U(1) 描述了電磁相互作用，但在約100GeV的能量下，這兩個(gè)相互作用實(shí)際統(tǒng)一為電弱理論。在這些能量下，SU(2)×U(1)組合描述了電弱相互作用，這兩種力結(jié)合在一起。

那么，是否有可能所有的基本力在高能下統(tǒng)一成一些更大的結(jié)構(gòu)？大統(tǒng)一理論的想法開(kāi)始出現(xiàn)，更大的規(guī)范群如SU(5)、SO(10)、SU(6)等開(kāi)始被考慮。然而，一些令人不安但令人興奮的后果開(kāi)始出現(xiàn)。這些大統(tǒng)一理論都預(yù)言質(zhì)子會(huì)從根本上穩(wěn)定下來(lái)并衰變，它們會(huì)導(dǎo)致磁單極子的存在。

審核編輯：劉清