主题：362-Felix Flicker：寻找磁单极子 -- 万年看客

非常感谢，今晚我想告诉你们一些非常近期的以及正在进行的科研工作。来自世界各地的团队正齐心协力在冰层中寻找北极。我知道你们在想什么：难道我们不是早在十九世纪就已经找到了北极吗？确实如此。我今晚的主题不是如何找到地球北极，而是找到一个没有南极的磁体北极，我们称之为磁单极子。我们要探索的不是北极的冰层，而是某些被称为自旋冰的物质。尽管这项工作在理论和实验方面都位于科学最前沿，但是却深深扎根于十九世纪的理念，尤其是很多由迈克尔.法拉第在皇家科学院发展起来的理念。我会在这些理念出现时着重详谈。所以如果你们愿意捧场，我想继续假装自己是一名刚刚从探险队归来的北极探险家，部分原因是我一直想成为北极探险家，部分原因是我已经买了这身十九世纪风格的衣服。

让我们开始吧。我将用这张北极地图为大家展示寻找磁单极子的大冒险。我们要从皇家科学院出发，在这一站我将向大家展示什么是磁单极子，以及我们为什么应该对此感兴趣。接下来我们将跨越海洋，我会为你们展示我们尝试寻找这些磁单极子的路线。这条路线将带我们穿越自旋冰物质，而我将告诉你们一些有关这些物质的信息。然后我将介绍这次探险本身。这是一项在过去几年内进行的实验，我很幸运能参与其中担任理论工作者。我还将介绍我那些试图识别磁单极子的实验伙伴们的工作。最后，与其返回阴雨绵绵的英格兰，我们将从地图的边缘出发，寻求新的前沿：如果我们找到这些磁单极子，对我们有什么用？它们可以如何改善我们的日常生活？让我提前告诉你们，我会试图论证磁单极子可能会带来更高效的计算能力从而助益经济发展，可能减少我们对于环境的影响，同时还可能在健康方面带来好处，例如侵入性更低且更高效的MRI扫描技术。我将在讲座的结尾进行这方面的论证。

首先我将向你们展示这场冒险的挑战：什么是磁单极子？我们为什么应该对此感兴趣？你们在这次演讲中不需要太多背景知识，但是我想在一开始检查一下你们的常识。如果我拿一块长条磁铁，从中间掰成两半，接下来可能发生两种情况：要么我右手那截磁铁是北极，左手是南极；要么我两只手里的半截磁铁都分成北极和南极。谁认为会发生第一种情况？——举手的人不太多，这很好。谁认为会发生第二种情况？基本上都举手了，非常好，这就是本次讲座所需的所有背景知识。我们通常把磁铁的北极与南极分别涂成红色和蓝色——当然这是人为规定的——如果我尝试将其掰成两半，我们就得到了两块都有南北两极的磁铁。所以磁铁的一个稍微复杂点的名字就是磁偶极子，意味着它有两个极，北极和南极。问题在于为什么总是有两个极？为什么不能通过从一端将北极去除来分离出磁铁的北极？

现代磁理论源于迈克尔.法拉第的工作。法拉第留下了细致的实验日志，都保存在皇家科学院，我今晚可以给你们展示其中的一些。例如画面上这张插图，我最初以为是描绘磁铁周围铁屑分布的图画，事实上我刚刚被告知这不是画的，那真的是铁屑。法拉第找了一张单面涂胶的纸，把磁铁放在下面，把铁屑撒在纸上。你们会看到它们如何分布成磁力线的形状。可以看到，铁屑落下后展示了我们熟悉的磁铁两极——北极和南极。铁屑自身就是小磁铁，它们会与局部的磁场对齐。问题是为什么会这样？这是一张磁铁的图片，上面标注了北极和南极。为了后续画图的简便，我会用小箭头表示它们。如果我们将这个磁铁切成两半并分开，在每一半上都能得到一个北极和一个南极。放大到大约千分之一毫米的规模，我们会发现磁铁由小的磁域组成，每一个磁域都有自己的磁场，同时也有北极和南极。尽管这些磁域可能没有完美对齐，但平均来说它们会给出磁铁的整体磁场。因此问题的第一个答案是：如果我把磁铁切成两半并分开，那么两半仍然都由磁域组成，每个磁域都有一个北极和一个南极，所以两半磁铁都会得到一个北极和一个南极。说了等于白说。但是我们还可以取一个单独的磁域，尝试把它切成两半。也许这样做可以分离出其中的北极。如果我们再放大到原子尺度，会看到在一个磁域内存在规律排列的原子，换句话说磁域是晶体。我在这里把原子描绘成小球，并在每个原子上画一个小箭头，以表明每个原子都有自己的小磁场。单个原子的磁场被称为自旋。在一个磁域内自旋会全部对齐，每个自旋同样都有一个北极和一个南极。如果把这个磁域切成两半并分开，那么每一半仍然会有北极和南极。还是说了等于白说。

接下来你们可能会说应该试着把其中一个原子切成两半，但显然这是不可能的。这样一来今天讲座的的结论就是我们无法切出一个磁单极。大家可以回家了吗？先别急，让我们思考一下这些原子如何能够具有如此微小的磁场。原子产生磁场靠得是自旋，我可以借助法拉第的工作来稍微引入这个概念。画面上是法拉第在1831年的一个笔记本，里面有他本人留下的手写记录——实际上这个本子就是他亲手装订的。我们可以看到他将一块磁铁穿过线圈，当磁铁移动会在导线当中感应出电流。由此可见电与磁存在着深刻的相互联系，它们实际上是同一事物的两个方面……如果将磁铁移入导线圈中，便会在导线中感应出电流；反过来说也同样成立，如果通过导线圈传递电流，就会产生一个磁场。正因为如此，原子才会因为自旋而具有自己的小磁场。原子当中含有电子——在这里用一个橡皮球表示——而电子当然具有电荷，因此它会发出电场。如果我拿着电子让它绕小圈运动，这便形成了一个圆圈当中的小电流，因为电流毕竟就是电荷的流动。而这个圈则会产生一个磁场。如果电子顺时针转圈，就会产生磁北极；如果逆时针转圈则会产生磁南极。这样一来我们就可以深入回答“为什么我们无法分离磁铁两极”的问题了：在原子层面，磁北极是由电子顺时针转动而产生的；但是只要将电子转动所在的平面翻过来，原本的顺时针就变成了逆时针，换句话说磁北极实际上只是磁南极的反面。这两个磁极真的无法分离，磁单极似乎不过是一个悖论。

看来我们的北极探险遇到了阻碍，但是这里还发生了一些更令人印象深刻的事情。法拉第的工作告诉我们，电和磁是同一个事物的两个方面。实际上只要列出这两种理论当中各自出现的现象，就会发现近乎完美的两两对应关系，唯独有一个例外：要获得电场，我可以借助电子这样的基本粒子，电场由电子产生；但是要想产生磁场，却必须取让带电粒子在小圈当中运动。那么为什么我可以让带电粒子直接发出电场，而为了产生磁场我却必须让带电粒子动起来？毕竟产生电场并不一定需要磁铁做运动。换句话说，电理论与磁理论之间存在不对称。实际上电子被称为电单极子，因为它只有一个电场极，也就是负极。负电荷不需要正电荷的伴随。但是每当我们讨论磁铁时似乎总是甩不开磁偶极子。所以在更深层次上，“为什么我们无法把磁铁的北极分离出来”这个问题的答案是：我们真不知道。从理论上说似乎可能存在某种其他类型的基本粒子，它可以独自存在于真空中，并且只具有磁北极而没有磁南极，这就是磁单极子。它将具有磁荷，类似于电子具有电荷。根据我们所知，这样的粒子似乎与其他物理法则兼容。我们没有根本原因认为它们不应该存在。目前有各种正在进行的实验试图寻找磁单极子，可是迄今为止我们尚未发现。

寻找磁单极子有两种基本方法。一种是构建一个探测器，期待一个磁单极子哪天从它面前飞过去。这一招并不像听起来那么傻。我们到目前为止没有发现磁单极子，而我们已经寻找了大约50年，它们显然非常稀有。但是它们确实可能会偶然飞过探测器面前，可能确实存在于宇宙中，就像电子那样。另一种方法是尝试将其它物质碰撞在一起，这就是CERN正在进行的工作。那里有各种正在进行的搜索试图找到磁单极子。我们将其他物质碰撞在一起，看看有什么结果，或许能生成一两个磁单极子，不过通常我们得到的都是南北极结合的粒子。无论是哪种方式，我们都需要法拉第线圈来确定磁单极子的存在。法拉第观察到，当一个磁偶极子穿过导线圈当中时会在导线内部感应出电流。事实证明，如果一个磁单极子穿过导线圈同样会产生感应电流，但是这样的电流将会具有非常独特的形态，或者说将会格外持久。因此，包括在CERN进行的搜索实际上再次使用了法拉第线圈的设置，他们尝试创造磁单极子，然后使其穿过法拉第线圈，从而寻找磁单极子造成的独特特征。换句话说，这方面的实验结合了尖端物理学和法拉第在十九世纪完成的基础工作。

总而言之，我们有许多合理的理由认为磁单极子应该存在。首先是电与磁之间的对称性。我们可以写出一大堆在各个方面比较两种事物的清单，结果发现两者在每一方面都一致，唯独有一个方面不一致，这时我们往往会认为我们在这方面可能犯了错误，而这也是物理学家的看法。既然电理论与磁理论在所有其他方面都一致，也许它们在基本载荷的层面上也应该一致。另一个认为磁单极子可能存在的原因在于许多最复杂的现代物理理论依赖于它们的存在，例如弦理论或者大统一理论，二者都暗示磁单极子也是一种确实存在的基本粒子，但是它们可能非常重。如果它们质量很大，在CERN等地制造它们就会非常困难，因为需要投入大量的能量。

还有一个原因稍微难以解释，坦率地说我不打算说太细，所以你们就算有些理解不透也不用担心。这一切可以追溯到法拉第的工作完成后的一百年。法拉第于1831年完成了上述工作。此后过了整整一百年，保罗.狄拉克提出了磁单极子的量子理论。狄拉克认为，磁单极子也许存在也许不存在，但是如果它们存在并且还是基本粒子，那么就应该用量子力学法则来描述它们。这样做有什么后果？他推导出了若干项后果，今晚我要告诉你们的是下面这项：如果你们拿一个气球在毛衣或者毛呢西装上蹭一下，就可以给气球充电。然后你们可以通过将气球靠近头发来检测电荷，带电的气球会粘在头发上。这似乎意味着我们可以任意给气球充电，在上面放置任意多的电荷，形成某种连续的电荷数值区间。但是如果我们非常精确地测量，就会发现气球上的电荷总是电子电荷的整数倍。这种现象被称为电荷的量子化。在量子力学当中，“量子化”意味着某个东西以离散单位出现。理论上我们可以想象某个物体的电荷是电子电荷1.2倍或者π倍。但在实验中每当我们测量时都会发现发现物体的电荷总是某个离散单位的整数倍。就算电荷是连续的而不是离散的，似乎也不会与所有其他物理法则产生矛盾。我们并不明白为什么只能看到某个基本电荷的整数倍。

狄拉克对于磁单极子的见解在于：他意识到即使在整个可观测宇宙当中只有一个磁单极子作为基本粒子，也足以解释电荷的量子化。这一观点相当深奥，我这里就不展开说了。总之在狄拉克提出这一理论之后的九十年间，我们没能提出任何更好的理论来解释电荷量子化的原因，各种不同解释似乎都以某种方式涉及到磁单极子。当然，这并不能证明磁单极子就一定存在，但是电荷的量子化与磁单极子的兼容性确实很强，而且我们也确实拿不出与磁单极子无关的理论。所以说支持磁单极子存在的合理理由有很多，但是迄今为止我们仍然没有见到它们。

让我们稍微回顾一下：我们的挑战是寻找磁单极子并且搞清楚它们是什么；简单来说就是要把一块磁铁折成两半，并且设法把北极与南极分离开来；诀窍在于找到可以在真空中独立存在、拥有磁荷而不是电荷的基本粒子。接下来我们要沿着冒险的路线去寻找可能找到这些磁单极子的地方。到目前为止我告诉你们的内容都属于你们所说的理论粒子物理学。我是一个理论物理学家，但不是粒子物理学家，我的具体头衔是凝聚态物理学家。粒子物理学研究基本粒子，或者说可以独立存在的物体；在凝聚态物理学当中我们也研究类似粒子的东西，但它们不是基本存在，而是复杂系统的涌现属性。我举个例子：如果我们将光的理论写成量子理论，那么对于光的量子描述就是将光的基本构成描述为光子。光子是一种基本粒子，可以穿过空间。正因为如此，我们现在才能看到太阳。

同理，我们其实也可以写一套声音的量子理论，将声音的基本构成称为声子。当然，声子不可能是基本粒子，因为声音不能在空间中传播，只能通过介质传播。但是如果我们生活在一块晶体的内部——要记住，晶体是在原子尺度上有规则的周期性原子阵列——而声音在这块晶体当中传播，那么我们也可以用量子理论来描述声音，或者说针对声音进行粒子描述。虽然声子不可能是基本粒子，声音只是穿过晶体当中各个原子的振动，但是声子模型仍然可以十分精确地描述声音在晶体当中的状态。这就是凝聚态物理学的研究方向。

你可能认为涌现粒子不如基本粒子那么重要，只要了解基本粒子就足够了。对于这一观点我会提出如下反驳：你经历过的绝大部分物理现象实际上都是涌现现象，你几乎从来没有真正见识过基本粒子的表现。比方说我手里这杯水就是涌现现象。标准模型当中既没有玻璃粒子也没有水粒子，玻璃杯与水都是从其他基本粒子当中涌现出来的，但是我们仍然认为它们是真实的。所以说涌现属性或者涌现粒子的概念非常有用。当我们对材料进行实验时，在许多情况下涌现属性都比基本属性更能描述材料的性质。

既然唯一存在的基本粒子是磁偶极子，那么我们应该如何利用涌现的特质来尝试制造磁单极子呢？具体来说，诀窍非常类似于源自十九世纪到二十世纪初的著名魔术“大锯活人”。我这里用我这的大拇指给大家粗略演示一下魔术的原理。请想象我的大拇指是一个磁偶极子，指尖是北极，指根是南极。我想把北极从磁偶极子上拽下来，同时还不给自己造成难以置信的痛苦与鲜血淋漓。我只要抓住我的拇指轻轻一拽，指尖就像这样掉了下来，我分离出了拇指上的北极。而且我还可以再把它放回去——我希望当我揭示了魔术的原理之后大家不会感到失望：我的另一只手掩饰了另一个拇指，只要两手分开，看起来就像是我把北极从其中一个拇指上拽了下来。魔术关键是两个拇指的配合。我们可以用同样的基本把戏来尝试制造磁单极子。

画面上是一排六块磁铁，每一块磁铁的北极都朝左，南极都朝右，换句话说一块磁铁的北极对准上一块磁铁的南极，就这样排列成一条线。如果我将其中的4号磁铁调转方向，让它的南极对着3号磁铁的南极，它的北极对着5号磁铁的北极，那么我就得到了一个北极集中的区域，挨着一个南极集中的区域。如果你想象一下你的视力模糊得恰到好处，以至于每当北极和南极挨在一起时在你眼里它们就平均化为没有极性，那么你仍然能够看到4号磁铁的右边存在北极，左边存在南极。现在如果我将3号磁铁与5号磁铁也调转方向，就可以让集中的南极区域远离集中的北极区域。这就是最基本的把戏：通过操作多块磁铁，我们可以让整体磁场看起来好像一块磁铁被拆成了两半，北极与南极分离开来。当然，我制造的这些磁单极子只能在磁铁阵列内部存在，它们不能离开磁铁阵列，它们是涌现的现象。

看完了一维的阵列，咱们再来看看二维的。画面上是一个国际象棋棋盘，被多米诺骨牌覆盖了。棋盘上有64个方格，我这里有32块骨牌，当然我可以把所有的方格都用多米诺骨牌覆盖起来。我的问题如下：如果我拿两个硬币占住棋盘对角的两个格子，棋盘上依然还剩下62个空格，不过现在我还能用骨牌覆盖所有的方格吗？谁认为这是可能的，谁认为这不可能？认为不可能的人是对的。因为放置一块多米诺骨牌必然覆盖一黑一白两个方格，而棋盘上的对角方格当然是同一种颜色。如果我占住这两个空格，剩余的黑白格子就会相差两个，以至于骨牌无法覆盖整个棋盘，这就是所谓的残缺棋盘问题。我们大致可以把黑白格看作正电荷和负电荷。通过封锁对角的同种电荷，棋盘上就留下了净电荷。如果我封锁了两个黑色方格，也就等于留下了总共两个白色电荷。

如果我已经用骨牌覆盖了棋盘上的每一个方格，那么接下来我只要任意移除一块骨牌就必然露出一黑一白两个方格，而且必然挨着。在这个比喻当中，我们认为真正存在的基本物质是多米诺骨牌，或者相邻的黑色与白色方格配对。你可能会认为移除一块骨牌只能产生黑白方格的紧邻配对，但实际上因为棋盘上有很多骨牌和很多方格，我可以在移除一块骨牌之后再滑动另一块骨牌，挡住一个格子，露出另一个同色格子，原本相邻的黑白格就相当于分开了。被骨牌彻底覆盖的棋盘好比什么都没有的真空，拿走一块骨牌就像创造了一个粒子-反粒子对，其中反粒子的载荷与粒子相反。然后通过后续的骨牌重新排列，我们可以在空间当中将粒子与反粒子分开。同理，我还可以通过滑动骨牌让黑格与白格重新凑到一起，然后放上一块骨牌再次覆盖它们，将它们湮灭回真空，就像一个粒子在真空中遇到了它的反粒子并湮灭消失。这个比喻表明，即使你认为基本粒子是挨着的黑色和白色方格，但是通过操作很多骨牌和很多方格，我们还是可以把一对方格分成两个部分。当这种情况发生在凝聚态物理学当中时，我们称之为“分数化”。系统中存在的基本物质被分数化之后会分裂成自己的几个部分并被离开来，诀窍则在于这样的基本物质有很多。

我们再来看一下磁铁。画面上是长条磁铁排成的网格，每个交点都有四个磁铁头对头。这个系统的最低能量状态必须是两个南极对着两个北极。如果我调转其中一块磁铁，那么这块磁铁的北极对着的交点的磁极分布就成了三北一南，它的南极对着的交点则是三南一北。这形成了紧密且相邻的北极与南极区域。通过后续的磁铁翻转，我可以将北极区域与南极区域分开。在这里我们可以将两北两南的磁铁布局视为真空，翻转一个磁铁会产生一个北极集中区域，或者说北极单极，而三南一北则是南极单极或者说反单极——我们也可以像刚才那样将其视为粒子与反粒子。同理，我们可以通过调转磁铁让两个单极相互湮灭，重新回归真空。这就是我们采用真实材料尝试讲述的基本故事。

我们真正想做的是在真实材料中实现这一点。你可能猜到了我这里还真有一块这样的材料。大家眼前这块材料是钛酸镝，是一种晶体，这意味着它在原子尺度上具有规则的周期性原子排列。如果我们把这块钛酸镝冷却到极低的温度，比方说只比绝对零度高2开尔文，它就会变成所谓的自旋冰。我举个例子来对比一下：你们可能会认为液氮非常冷，然而液氮的沸点是77开尔文沸腾，或者说比绝对零度高出77开尔文。或者你可能会认为，如果你飞向远离任何恒星、没有光照的太空真空，那就是你能抵达的最冷的地方。但事实上宇宙的温度更接近2.7开尔文，这是宇宙微波背景辐射的温度。换句话说，你需要把这块晶体冷却到比宇宙本身更冷的温度才能让它变成自旋冰。但是我们可以做到——更确切地说我做不到，因为我是一个理论物理学家，不会实际操作，但是我的实验室同事可以做到。此外钛酸镝并不是天然存在的矿物，你必须人工培育，世界上只有少数人能够做到这一点。

如果我们在原子尺度上观察钛酸镝，会发现许多四面体组成的结构——要记住它是晶体，由规则的周期性原子排列构成。画面上的示意图其实并没有展示构成晶体的原子，这些四面体的顶点其实是磁性离子。如果一个原子带有电荷，它就叫做离子，而我这里展示的是钛酸镝当中的磁性离子。这些离子位于共用角的四面体构成的晶格上，每个磁性离子位于两个四面体的顶角。每个磁离子都具有小自旋与小磁场，而这些离子所处的环境里还存在其他原子——我这张示意图没有显示——这些环境约束了自旋的方向，使其指向或者远离四面体的中心。在这种情况下，系统处于最低能量状态时将有两个自旋朝内，两个自旋朝外，因为这相当于两个北极对两个南极，这就是你能达到的能量最低状态。如果我向系统输入一些能量，比如稍微加热一下，四个自旋当中的一个就会翻转，结果变成三个朝内一个朝外，就像在二维情况下那样形成一个北极集中区域紧邻一个南极集中区域，我们就这样得到了磁性单极或者单极-反单极对。后续的自旋翻转可以将北极与南极分开，如果我可以让任何北极靠近任何南极，就可以翻转连接它们的离子的自旋并且湮灭它们，让它们重返真空。因此就像上述的一维与二维模型一样，两个朝内、两个朝外的自旋组合就像真空，而三个朝内、一个朝外就像北磁单极，三个朝外、一个朝内则像南磁单极。我们相信这样的现象会在钛酸镝处于低温状态时自然产生。这个理论是在2008年发展起来并在《自然》期刊上发表，我认为这为实验、观察以及操纵真实材料当中的磁单极提供了第一次机遇。

我想说几句这样的磁单极子与开头提到的基本磁单极子之间的关系。我们这里所说的是涌现特性，这些晶体中真正存在的东西在较小的尺度上是磁偶极子，也就是我们之前一直测量的东西，不过所有这些磁偶极子的集体行为可以使其表现得好像系统中存在磁单极子。我们相信，当我们对这些晶体进行实验以观察那些小尺度下的真正东西时，我们测量到的磁单极子将会是涌现特性而不是基本特性。然而在演讲开始时我提到了弦理论和大统一理论，而涌现出来的磁单极子与这些理论并没有关系。我也提到了电荷量子化以及磁单极子的存在是这一现象的基础，但是涌现磁单极同样没有涉及到这一点。只有基本磁单极才与这两方面有关。但是在其他方面，涌现磁单极子的表现确实符合我们对于磁单极子的预期。例如，不同的磁单极子之间存在库仑定律的相互作用，就像两个电子之间相互排斥一样。因此它们的表现确实像是具有磁荷的实体。

能够涌现生成磁单极子的材料被称为自旋冰。你可能想知道这个名字的由来。自旋就是单个离子或原子的磁场，至于冰这个字可能会让你认为这种材料非常冷，但实际上它要比你通常制冰的温度低得多。如果我们在原子尺度上观察冰的结构，就会看到氧原子的四面体配位结构，一个氧原子位于四面体的中心，另外四个氧原子则位于四面体的角上。当然，每个氧原子附近都紧贴着两个氢原子——因为冰的本质是H2O——而这个氧原子的其余两个键所连接氢原子则与它距离很远。自旋冰这个名字的来历在于钛酸镝晶体当中两个自旋朝内、两个自旋朝外的规则可以类比冰当中两个氢原子紧贴、另外两个氢原子远离氧原子的规则。这样的结构遵循了所谓的Bernal–Fowler冰规则。这就是自旋冰名字的由来。

咱们再来回顾一下：我简述了我们为了寻找这些磁单极将要采取的路径，这条路径带我们穿过了自旋冰材料；我们的基本思路是希望这些磁单极会在钛酸镝晶体冷却到足够低的温度时作为涌现特性出现；这项理论在科学界得到了相当的认可，但我们需要通过实验来确认这一理论。接下来让我们进入演讲的第三部分，也就是探险本身。在某种意义上我们并不是要寻找这些磁单极，而是要倾听它们。我是理论物理学家，因此不参与实际操作。我很幸运能够参与一些非常优秀的实验同事的工作，共同寻找自旋冰当中的磁单极。具体的试验方法是将自旋冰样本放在线圈里，线圈则连接着测量装置。我希望大家觉得画面上这个设置有些熟悉。它可能看起来有点像我们之前展示的法拉第线圈，因为这实际上确实是一个法拉第线圈。尽管我们研究的是最尖端的物理学，但是寻找磁单极子的最好方法仍然是使用线圈，等待磁单极子穿过它。当磁单极通过时，它会在导线里面感应出一个非常明确的信号。简而言之，这个实验实际上根植于十九世纪由法拉第在皇家科学院开发的物理思想。 在这张图片中，唯一一个与十九世纪完全不同的东西是顶端的这个圆环状探测器，它名叫超导量子干涉器件，简称SQUID。SQUID是一种极为灵敏的磁通量检测装置。它的基本工作原理如下：当一个磁单极穿过法拉第线圈时，产生的感应电流会具有非常特殊的特征；我们已经通过相似实验预测了一些来自磁单极子的感应电流特征，并且试图测量这些特征。我们发现，尽管我们目前在极低温度下运行这些实验，但是对于自旋冰来说实验温度还是有点高。因此自旋冰当中不仅仅会产生一个磁单极子，而是会产生许许多多磁单极子，它们全都会通过法拉第线圈。就好比你预测了单独一滴雨滴的声音，企图通过聆听这个声音来探测雨滴。但是一旦下起雨来，就会有成千上万的雨滴同时降落。所以你得到的信号并不干净，而是来自许多雨滴的噪声。

这看似是我们的探险之路上似乎无法克服的障碍，但是其实我们有一个非常好的处理方法。即便信号是噪声，但是实际上就算噪声也有不同类型，其中可能存在某种结构，尽管这些结构也具有随机性。我先向大家介绍一下噪声的类型，我们可能都听说过白噪声，也就是各个频率声音的均匀混合。这里的“白”与白光的“白”好有一比，因为白光也是不同频率的可见光的均等混合，不同的声音频率对应了不同的光线颜色。我可以在任何给定的频率区间内随机混合频率，最终结果听上去基本一样。另一种你们可能听说过的噪声是粉红噪声。粉红噪声同样是各种频率的随机混合，但是在统计它有所偏向，波长较长、音调较低的声音占比会更高。噪声越红则越偏向性低频声音，反过来说如果噪音越紫则越偏向高频声音。事实证明，你可以用纸笔计算出，如果法拉第线圈当中插入的不是自旋冰而是正常的磁铁，将会影响噪音的颜色。特别是一种叫做顺磁体的磁铁，这种磁铁本身不具备磁性，但如果你把它放在磁铁旁边，它就会变得有磁性，或者说将其置于磁场当中时它就会变得有磁性。如果你在这个装置当中放入顺磁体，就会听到完美的红噪声。根据计算机模拟预测，如果你把自旋冰放入这个装置，并不会检测到完美的红噪声，而是会检测到粉红噪声，而且噪声也颜色还会随着温度升高而变得越来越粉。

让我再明确一下噪声的重要性。SQUID这个检测装置以时间为函数来测量磁通量；它检测到的信号很嘈杂，因为大量磁单极子穿过了线圈，致使我们并非一次探测到一个信号，而是同时得到许多信号。这就是我们所说的嘈杂信号；我们可以将这个信号视为时间的函数，并且确定以时间为函数的磁通量有多少种不同的频率。从这个意义上讲，我们可以把磁通量频率看作噪声，因为噪声只是频率分布的一种。 这又是一个类比，但是这里我们可以让类比变得更加清晰。因为SQUID有一组能够检测到的磁通量频率，从几赫兹到大约2.5千赫兹，而人耳对声音的敏感频率大约是20赫兹到20千赫兹。因此人耳可以感觉到的频率与SQUID的频率有重叠。人耳听得是声音，SQUID检测的是磁通量为标准，但是我们可以将SQUID检测到的信号转换成字面上的音频，这样我们就能听到SQUID在进行测量时的输出。

接下来我要播放一个音频文件。它的前3秒是样品插入之前的声音，你们将听到SQUID如果里面什么都没有，信号就仅仅是白噪声。第二个3秒我们插入了样品，你们将会听到我们预测的粉红噪声，平均音调会下降。这是人类第一次在真实材料当中捕捉到磁单极子存在的瞬间。你正听到的声音意味着大量磁单极子穿过法拉第线圈——至少我们是这么认为的。

话说至此，现在是时候走出地图边界，探索新的前沿了。那么接下来我们该去哪里？第一个问题是我们是否证明了磁单极子在自旋冰中的存在？我会说答案依然是否定的，“证明”这个词太重了。我们发现了很好的证据，我们预测了应该检测到的信号，也检测到了我们预测的信号，但是这依然不能排除其他事物产生相同信号的可能性。自从磁单极子在十年前被理论化以来，已经有不少很优秀的探险在寻找它们的存在，我们也有了很多关于它们存在的证据，但是目前依然没有决定性的实验证明。我认为足以构成证明的证据是探测到单个磁单极子，而实验人员正在准备进行这种测量，这将需要几年时间。

如果我们确实找到了磁单极子，并且能够利用它们的力量，那么磁单极子对于我们究竟有什么用呢？法拉第曾经在皇家科学院回答过类似的问题。下面这个故事有点传说色彩：他在1831年展示他的电磁学结果时，有人问：“这有什么用呢？我能用电和磁做什么？”据说他回答：“一个新生儿有什么用？”这只是传说，因为这句回答可能针对得是不同的问题。但是我认为自旋冰当中的磁单极子确实具有我们可以在未来几年看到的应用前景。

电和磁都非常有用，我们时常使用它们——也许用电用得稍微多一些，部分原因在于如果我想要用电，只需要走到插座旁打开插头，就能随意让电流注入我的设备使其工作。对于磁我则无法做到这一点，因为我无法产生磁流。我能够拥有电流的原因是电单极子——电子，我可以通过转移电荷来产生电流。而我不能拥有磁电流的原因在于磁北极总是伴随着磁南极，如果用导线传输的话两者只会相互抵消。但是在自旋冰当中我们确实可以产生磁流/magnetricity。我们当然不会用自旋冰建造输电线线，将整条输电线的温度降低到接近绝对零度并不实际。但是我们或许可以利用自旋冰来制作集成线路板，使用磁单极子而不是电子来进行计算，在线路板内移动磁荷而不是电荷。

那么为什么我们想这样做？这是当前物理学中一个更广泛的主题，即从使用电子的电荷进行计算转向使用其自旋及其小磁场进行计算。我们称前者为电气化，那么后者就是旋气化/spintronic。我们之所以对旋气化感兴趣，部分原因是为了维持摩尔定律的效力。大家都知道摩尔定律：集成电路板上的晶体管密度应该每两年大约翻一番。这条定律最初是二十世纪七十年代早期的经验观察，此后就成为了某种自我实现的预言。在过去的五十年中，它一直得到准确的验证，大部分计算机行业以及更广泛的经济体都依赖摩尔定律的有效性。我们不清楚如果摩尔定律不再有效将会发生什么。当然这在某个时点是不可避免的——你不能一直让晶体管变得越来越密。实际上我们现在正面临基本理论的极限。我们已经有单原子晶体管了，很难想象更密集的晶体管，很难说经济将会受到怎样的影响。所以我们现在寻找的是绕过摩尔定律、继续使晶体管变得越发密集的方法，其中一个方法就是从根本上从使用电荷转向使用自旋。有些潜在方法可以实现这一点，通过自旋电气化实现潜在的效率提升。已经实现的类似应用大致如下。我们可以制造人工自旋冰，也就是小型磁铁的阵列。每一块磁铁的长度大约是一个微米，约为一毫米的千分之一。就像我之前展示的图像一样，通过翻转磁铁，我们可以创造并且移动磁单极。那么为什么我们想要做到这一点？因为实践已经表明可以通过翻转这些小磁铁来编码逻辑门，而逻辑门是计算的基础。实践还表明，使用这些人工自旋冰进行的计算非常接近所谓的兰道尔极限，即进行计算时可达到的最大理论效率。

我们日常往往并不会想到这一点，但是计算行为也会产生热量并消耗能量。如果我想使用计算机在互联网进行搜索，必然需要消耗能量。我的计算机连接着电网，因此在我这里消耗电力；但是实际上进行搜索计算的行为在其他地方进行，同样需要消耗能量，包括数据中心的散热耗能以及一般能量消耗。实际上我们为这类计算投入了大量能量。根据我查到的数据，去年全球的数据服务器——在你输入内容时进行互联网搜索的设备——消耗的能源比整个英国多40%。进行这些类型的互联网搜索消耗的能源总量非常庞大。如果能做得更高效，不仅能帮助经济，还能减轻我们对环境的影响。因为如果我们的用电量减少，就不会如此严重地损害环境。哪怕只是出于这个原因，更高效的计算也很重要。

磁单极子理论研究的另一项重要性在于实验技术带来的更广泛社会连锁反应。自旋冰研究的潜在实用途径之一是改进MRI扫描技术。如果你曾经接受过MRI扫描，就知道你要被推进一个轰鸣作响的大型隧道状机器，这个过程对于病人来说并不特别愉快。机器成本至少需要一百万英镑，运行时还要消耗大量电力。MRI的原理是机器产生巨大的磁场，翻转被扫描物体——例如你的大脑——的原子核自旋。我们可以探测这些自旋翻转并利用它来测量身体的某些特性，从而用于医疗诊断。之所以需要产生如此强大的磁场，原因在于磁场与原子核自旋之间的耦合非常微弱，因此为了造成足以检测到的效果，磁场必须非常强。但是我们还有另一种选择，也就是使用较弱的磁场并且搭配更灵敏的磁场探测器，而目前研究自旋冰采用的磁通量测量技术恰恰具有最灵敏的探测能力。原则上MRI扫描完全可以在更低的磁场下进行，关于这个课题的论文早在2016年就呈交给了皇家科学院。因此此类型的扫描将更舒适、耗电量也将更低。

希望我已经说服你们，磁单极本身非常有趣。你们中的一些人在孩提时代或许曾经想过，“为什么我不能直接从磁铁上拔下北极？”现在你确实可以在某种程度上这样做。希望我今天说服了你们，这样做还有更广泛的好处。谢谢大家。