磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，磁針可以幫助我們在不熟悉的地方找到方向，而冰箱貼可以將孩子的畫固定在冰箱門上。除了這些常見的例子，磁場還在宇宙中扮演著重要角色。有時候，磁場會對周圍環境產生重大的影響，比如在危險的磁星環境，以及用途很廣的核磁共振掃描儀。不過，在大多數情況下，磁場只是簡單地存在，並受到其他更強作用力的影響。雖然不是很起眼，但磁物理學中還是蘊含著一些鮮為人知的秘密。

ESA – Christophe Carreau.

磁力源於運動

帶有電荷的單個粒子，儘管什麼都不做，也會產生一個電場。這個電場圍繞在粒子周圍，會引導其他帶電粒子做出相應的運動。如果附近有一個帶同樣電荷的粒子，那它就會被推開；如果是帶相反電荷的粒子，那二者就會互相靠近。

但是，如果你讓這個電荷運動起來，就會發生令人驚訝的事情：一個新的場出現了！這個奇怪的場表現出與眾不同的行為方式：它不是直接指向或遠離電荷，而是圍繞著電荷旋轉，總是垂直於電荷運動方向。更重要的是，附近的帶電粒子只有在同樣處於運動狀態時，才能感受到這個新的場，而它感受到的作用力又是垂直於它的運動方向。

這個場也就是我們所說的磁場，它既是由運動中的電荷產生的，同時也只影響運動中的電荷。但是，冰箱貼並不會運動，它為什麼有磁力呢？

你的冰箱貼磁鐵沒有在運動，但是構成它的物質正在運動。在磁鐵中，每個原子都具有一層又一層的電子，而電子是具有自旋性質的帶電粒子。自旋是一種十分深奧而且量子化的特徵。為了闡述磁場，我們可以將電子想像成微小的旋轉金屬球（當然我們都知道，這樣想像嚴格來說是很不准確的）。

這些電子都是運動中的電荷，而每個電子都能產生自己的微小磁場。在大多數物質中，電子具有不同的運動方向，並在宏觀尺度上相互抵消；但是在磁體中，大量的電子會排列整齊，產生足以將冰箱貼粘附在冰箱上的磁場。

磁單極子可能存在

由於我們在宇宙中見到的所有磁場都是通過運動中的電荷產生的，因此，你永遠無法將磁北極和磁南極分開，它們永遠成對存在。如果你將一塊磁鐵切成兩半，你會得到兩快磁力變小的磁鐵；它們內部的電子依然在不斷運動，“自動地”產生新的磁場，重新編排北極和南極。

磁體的這種性質眾所周知，以至於英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在他著名的麥克斯韋方程組中，直接斷定“磁單極子不存在”。麥克斯韋闡述了電和磁兩種現象之間的關係，並引入了電磁場的概念。多年以來，人們一直對“磁單極子不存在”的觀點深信不疑，但隨著我們開始觀察到神奇而古怪的亞原子世界，隨著科學家對量子力學的了解日益加深，磁單極子又成為物理學界重要的研究主題之一。量子物理學的先驅之一、英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）注意到，在磁單極子假說的數學推理中，隱藏著一些有趣的東西。

讓我們來做一個思想實驗，如果磁單極子存在，並且你將它與一個普通的電荷配對，那二者就會開始旋轉。這種旋轉實際上與距離無關；無論二者相距多遠，它們都會旋轉。但狄拉克知道，角動量（呈圓圈形式的動量，正如電荷和磁單極子互相旋轉的情況）是量子化的——我們宇宙中的角動量是離散值。一切皆是如此，包括這一對電荷和磁單極子。

於是，狄拉克意識到，如果角動量是量子化的，那麼這些粒子上的電荷也必須是量子化的。而由於這種作用與距離無關，因此如果整個宇宙中存在磁單極子的話，它就會引起電荷的量子化，這就是“狄拉克量子化條件”。物理學家的實驗發現，電荷量的基本單位為基本電荷，這與磁單極子的存在相符合，但至今仍未證實磁單極子的存在。

磁是狹義相對論的關鍵

詹姆斯·麥克斯韋發現的電和磁之間的聯繫並不簡單，他意識到，二者其實是同一個硬幣——電磁學——的兩面。電場的改變可以產生磁場，反之亦然。更重要的是，他指出光現像其實就是電和​​磁相互擾動時產生的。

麥克斯韋將光與電磁學理論進行定量聯繫的創舉被認為是19世紀數學物理最偉大的成就之一，也深刻影響了後來的物理學家，其中就包括愛因斯坦。愛因斯坦將麥克斯韋的工作更進了一步，他意識到電、磁和運動之間存在聯繫。讓我們從單個電荷及其電場開始，當你跑動經過它的時候會發生什麼？

從你的角度來看，電荷似乎才處於運動之中。那麼，運動中的電荷會做什麼？沒錯，它們會產生磁場。因此，不僅電場和磁場是同一個硬幣的兩面，而且你可以通過運動的方式，使二者發生轉換。這也意味著，不同的觀察者會看到不同的景象：靜止的觀察者可能會看到一個電場，而更具移動性的觀察者會發現由同一來源產生的磁場。

正是這種思路促使愛因斯坦提出了狹義相對論——現代科學的基石。對此，我們應該首先向磁場表達謝意。