爱因斯坦发现狭义相对论的原因竟然就在你的冰箱上

艺术家对磁星的假想图。来源：ESA - Christophe carau。

磁铁和磁力在我们的日常生活中无处不在，它们帮助我们在不熟悉的地方找到方向，并把孩子们的画贴在冰箱上。但除了这些常见的例子外，磁场在宇宙力量中似乎总是起着次要的作用。当然，每隔一段时间，它们可能会手握大权——比如在极其危险的磁星环境中，或者在非常有用的核磁共振扫描仪环境中——但在大多数情况下，它们所做的只是存在，被它们更强大的同类推来推去。

尽管它们相对来说不重要，但它们也有一些秘密。

磁铁只对运动起作用

想象一下，一个单独的、静止的带电粒子会产生电场。这个电场环绕在粒子的四周，并指示其他带电粒子如何反应。如果附近有带相同电荷的粒子，它就会被推开，如果有一个带相反电荷的粒子离该粒子很远，它就会被轻轻拉近。

但是如果这个电荷一旦开始运动，会发生一件令人惊讶的事情：一个新的场出现了!这个奇特的场以一种奇怪的方式运动：它不是直接指向或指离电荷，而是绕着电荷旋转，并且总是与电荷的运动方向垂直。并且一个在附近的带电粒子只有也在运动的情况下，才会感觉到这个新的场，而且它感受到的力也垂直于它运动的方向。

这个场，为了方便起见，我们叫它磁场，它是由移动电荷引起的，同样也只会影响移动电荷。但是没见你冰箱上的磁铁动过啊，那又是因为什么原因呢?

你的磁铁本身是不动的，但组成这块磁铁的东西却在动。磁铁中的每一个原子都有一层又一层的电子，而电子是带有自旋性质的带电粒子。自旋是一种基本的、晦涩难懂的量子性质，虽然严格来说，把电子看作是微小的自旋金属球是不正确的……但出于解释磁性的目的，我们可以暂且把电子看作是微小的自旋金属球。

这些电子是运动中的电荷，每个电子都会产生其自己的、极其微小的磁场。在大多数材料中，电子间不同的运动方向抵消了任何宏观的、肉眼可见的磁场，但磁铁是那种有许多电子整齐排列的材料，这使得磁场大到足以把东西粘到冰箱上。

可能存在的磁单极

因为我们在宇宙中看到的所有磁场都是由移动的电荷产生的，所以你永远不能把南北磁极(“单极子”)分开。它们总是成对的，如果你把一块磁铁切成两半，你只会得到两块更小、更弱的磁铁，它们的内部电子仍然和以前一样在旋转。

磁体的这种性质在过去(和现在)已经广为人知，以致于詹姆斯•克拉克•麦克斯韦(James Clerk Maxwell，发现电和磁是根本联系在一起的人)，把“磁单极并不存在”这句话硬塞进了他的方程，然后就撒手不管了。几十年来，我们都没有理由怀疑这个结论，我们听之任之。

但是，当我们注意到怪异而奇妙的亚原子世界时，我们对量子力学的理解不断加深，我们开始对这个想法产生了疑问。而量子领域的先驱保罗•狄拉克(Paul Dirac)注意到，这种新物理领域的深奥数学中隐藏着某种有趣的东西。

来做一个思想实验，如果宇宙中有一个磁单极存在的话，你把它和一个普通的电荷配对，那么这两个粒子就会开始旋转，这个旋转与距离无关，无论这两个粒子相距多远它们都会开始旋转。但是狄拉克知道角动量(在一个圆中运动的动量，就像在这对旋转粒子中的一样)是量子化的——在我们的宇宙中角动量是离散的。所有的物体都是这样的，包括我们这对奇特的粒子。

这就是问题所在：使用这个推理，狄拉克意识到如果角动量是量子化的话，那么这些粒子上的电荷也必须是量子化的。而由于这一效应与距离无关，所以如果在整个宇宙中，存在那么一个磁单极，那这将直接导致电荷的量子化，在此之前，我们一直认为电荷量子化是没有理论依据的实验事实。

磁铁是狭义相对论的关键

麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell)发现的电磁之间的联系并非是肤浅的。他意识到它们是同一硬币的两个面，而这个硬币就是“电磁”。变化的电场可以产生磁场，反之亦然;此外，一种被称为光的现象仅仅也只是电磁开始相互摆动时发生的现象而已。

爱因斯坦是麦克斯韦研究成果的头号粉丝，他将这个研究成果往前再推进了一步。他意识到电、磁和运动之间是有联系的。来，重新开始想象一下，同样，一个单独的、静止的带电粒子，产生着同样无聊的电场，但如果你开始在它旁边跑步经过呢?你猜猜会发生什么?

从你的角度来看，电荷是运动的。那么我们重新回想一下，运动的带电粒子会怎么样来着?不错，它们会产生磁场。所以，电场和磁场不仅仅是一枚硬币的两个面，而且你还可以通过简单的运动来将它们相互转换。这也意味着不同的观察者会对他们所看到东西的产生不同的看法：一些固定的观察者可能会看到一个电场，而一个正在运动的观察者可能会发现同一个源头正在产生磁场。

正是这种思想指引爱因斯坦走上了一条发现我们现在称之为狭义相对论的道路，从而奠定了现代科学的基石，所有的这些我们都得要感谢默默无闻的磁场。