形上集

隱密的方程式與隱密的對稱(四)

磁矩所遵循的物理定律其實具有隱密的旋轉對稱。

撰文/高涌泉

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隱密的方程式與隱密的對稱(四)

磁矩所遵循的物理定律其實具有隱密的旋轉對稱。

撰文/高涌泉

羅盤(指南針)是每個人都知道的東西。雖然不是每個人都有愛因斯坦那種慧根,在四、五歲首次看到羅盤時,就已大感神奇,能從指針會受到看不見的力所支配,永遠朝向北方,而感受到「事物的背後,必然深深隱藏著某種奧妙」;但大家一定都在中學科學課程學到了羅盤是這麼回事:地球與羅盤的指針皆是具有「磁性」的物體,也就是說它們都各自有所謂的磁性南極(S)與磁性北極(N,地球的磁性南極在地理北極附近,而磁性北極在地理南極附近);由於不同的極性會相吸,相同的極性會相斥,因此羅盤指針的N極會一直被地磁南極吸引而朝向北方。

若先不論地磁的來源,我們想知道羅盤指針的磁性是怎麼來的?而且這種磁性為何在某個溫度(稱為居里溫度)以上,就會消失不見?物理學家用以下的模型來解釋:具有磁性的物體(例如磁鐵)是由無數多原子尺度的小磁體組成的,每個小磁體都具有S、N極,這些小磁體存在的理由可以進一步由量子物理去說明,但我們在此僅需假設它們存在;當溫度高於居里溫度時,由於熱擾動的關係,每個小磁體N極的指向是任意的,因此其磁性彼此相抵消,這時磁體整體而言不具磁性,以術語講,即其「磁矩」為零。一旦溫度下降至居里溫度之下,熱擾動減小,小磁體間的交互作用會讓它們的N極趨向同一方向,這時磁體的磁性就出現了(即其磁矩不為零),而且隨著溫度的下降,磁性會越來越強,到了零溫度,所有小磁體的N極便全部整齊地指向北方。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第146期4月號】