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不熟悉的地方找到方向，而冰箱贴可以将孩子的画固定在冰箱门上。除了这些常见的例子，磁场还在宇宙中扮演着重要角色。有时候，磁场会对周围环境产生重大的影响，比如在危险的磁星环境，以及用途很广的核磁共振扫描仪。不过，在大多数情况下，磁场只是简单地存在，并受到其他更强作用力的影响。虽然不是很起眼，但磁物理学中还是蕴含着一些鲜为人知的秘密。

ESA - Christophe Carreau.

磁力源于运动

带有电荷的单个粒子，尽管什么都不做，也会产生一个电场。这个电场围绕在粒子周围，会引导其他带电粒子做出相应的运动。如果附近有一个带同样电荷的粒子，那它就会被推开；如果是带相反电荷的粒子，那二者就会互相靠近。

但是，如果你让这个电荷运动起来，就会发生令人惊讶的事情：一个新的场出现了！这个奇怪的场表现出与众不同的行为方式：它不是直接指向或远离电荷，而是围绕着电荷旋转，总是垂直于电荷运动方向。更重要的是，附近的带电粒子只有在同样处于运动状态时，才能感受到这个新的场，而它感受到的作用力又是垂直于它的运动方向。

这个场也就是我们所说的磁场，它既是由运动中的电荷产生的，同时也只影响运动中的电荷。但是，冰箱贴并不会运动，它为什么有磁力呢？

你的冰箱贴磁铁没有在运动，但是构成它的物质正在运动。在磁铁中，每个原子都具有一层又一层的电子，而电子是具有自旋性质的带电粒子。自旋是一种十分深奥而且量子化的特征。为了阐述磁场，我们可以将电子想象成微小的旋转金属球（当然我们都知道，这样想象严格来说是很不准确的）。

这些电子都是运动中的电荷，而每个电子都能产生自己的微小磁场。在大多数物质中，电子具有不同的运动方向，并在宏观尺度上相互抵消；但是在磁体中，大量的电子会排列整齐，产生足以将冰箱贴粘附在冰箱上的磁场。

磁单极子可能存在

由于我们在宇宙中见到的所有磁场都是通过运动中的电荷产生的，因此，你永远无法将磁北极和磁南极分开，它们永远成对存在。如果你将一块磁铁切成两半，你会得到两快磁力变小的磁铁；它们内部的电子依然在不断运动，“自动地”产生新的磁场，重新编排北极和南极。

磁体的这种性质众所周知，以至于英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在他著名的麦克斯韦方程组中，直接断定“磁单极子不存在”。麦克斯韦阐述了电和磁两种现象之间的关系，并引入了电磁场的概念。多年以来，人们一直对“磁单极子不存在”的观点深信不疑，但随着我们开始观察到神奇而古怪的亚原子世界，随着科学家对量子力学的了解日益加深，磁单极子又成为物理学界重要的研究主题之一。量子物理学的先驱之一、英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）注意到，在磁单极子假说的数学推理中，隐藏着一些有趣的东西。

让我们来做一个思想实验，如果磁单极子存在，并且你将它与一个普通的电荷配对，那二者就会开始旋转。这种旋转实际上与距离无关；无论二者相距多远，它们都会旋转。但狄拉克知道，角动量（呈圆圈形式的动量，正如电荷和磁单极子互相旋转的情况）是量子化的——我们宇宙中的角动量是离散值。一切皆是如此，包括这一对电荷和磁单极子。

于是，狄拉克意识到，如果角动量是量子化的，那么这些粒子上的电荷也必须是量子化的。而由于这种作用与距离无关，因此如果整个宇宙中存在磁单极子的话，它就会引起电荷的量子化，这就是“狄拉克量子化条件”。物理学家的实验发现，电荷量的基本单位为基本电荷，这与磁单极子的存在相符合，但至今仍未证实磁单极子的存在。

磁是狭义相对论的关键

詹姆斯·麦克斯韦发现的电和磁之间的联系并不简单，他意识到，二者其实是同一个硬币——电磁学——的两面。电场的改变可以产生磁场，反之亦然。更重要的是，他指出光现象其实就是电和磁相互扰动时产生的。

麦克斯韦将光与电磁学理论进行定量联系的创举被认为是19世纪数学物理最伟大的成就之一，也深刻影响了后来的物理学家，其中就包括爱因斯坦。爱因斯坦将麦克斯韦的工作更进了一步，他意识到电、磁和运动之间存在联系。让我们从单个电荷及其电场开始，当你跑动经过它的时候会发生什么？

从你的角度来看，电荷似乎才处于运动之中。那么，运动中的电荷会做什么？没错，它们会产生磁场。因此，不仅电场和磁场是同一个硬币的两面，而且你可以通过运动的方式，使二者发生转换。这也意味着，不同的观察者会看到不同的景象：静止的观察者可能会看到一个电场，而更具移动性的观察者会发现由同一来源产生的磁场。

正是这种思路促使爱因斯坦提出了狭义相对论——现代科学的基石。对此，我们应该首先向磁场表达谢意。