林峰

神秘力量：磁場(chǎng)

我們已經(jīng)知道，磁場(chǎng)在地球上扮演了十分重要的角色。地球磁場(chǎng)最大的貢獻(xiàn)是形成一道屏障，保護(hù)臭氧層免受宇宙中高能粒子的破壞，讓我們的地球不會(huì)暴露在有害的紫外線之下。

除此之外，地球磁場(chǎng)還把宇宙射線集中到地球的南北兩個(gè)磁極。高速太陽(yáng)風(fēng)會(huì)以每秒數(shù)百千米的速度飛向地球，不斷沖擊著地球外圍環(huán)境，當(dāng)高能粒子流到達(dá)地球附近時(shí)，一部分會(huì)由于受洛侖茲力的作用繞過地球，剩余的部分則會(huì)被地磁系統(tǒng)俘獲，從而使人類免受高速太陽(yáng)風(fēng)輻射的傷害。與此同時(shí)，太陽(yáng)磁場(chǎng)也保護(hù)著我們，偏轉(zhuǎn)了來自太陽(yáng)系以外更多的致命粒子流。

不過，在以前，很少有人能夠憑空臆想到在星際空間里竟然有磁場(chǎng)的存在。第一個(gè)證據(jù)出現(xiàn)于1949年的美國(guó)，兩位宇航員發(fā)現(xiàn)，有個(gè)什么東西使得類星體輻射出的光線在飛向地球的過程中發(fā)生了偏振現(xiàn)象，也就是說，輻射出的光線具有一定角度。而造成這一結(jié)果的原因就是光線受到了某種力量的扭曲。后來，這個(gè)力量被證明是宇宙磁場(chǎng)。這是一項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榭床灰娒恢拇艌?chǎng)竟然使得星際塵埃顆粒整整齊齊地排列。

宇宙天體的電子運(yùn)行方式可以產(chǎn)生磁極的定位，如果宇宙中沒有磁極的分化存在，就不可能會(huì)有星系的形成，因此宇宙磁場(chǎng)廣泛存在于宇宙當(dāng)中的任何角落。銀河系如果沒有磁極作為控制，就不可能形成統(tǒng)一的盤狀星體，更無法形成星系。那樣銀河系就是無規(guī)則的、方向是隨機(jī)的“自由星系”?？偟膩碚f，宇宙磁場(chǎng)無處不在，即使縱橫星系間數(shù)十億光年的浩瀚時(shí)空也不在話下。宇宙學(xué)中最關(guān)鍵的星系形成原理：從恒星形成到巨大黑洞射出的高能噴流，都需要磁場(chǎng)的參與。事實(shí)證明，一旦有了宇宙磁場(chǎng)的參與，許多之前未被解決的天文學(xué)問題，就突然變得明朗多了。

宇宙磁場(chǎng)十分微弱。2011年，德國(guó)馬克斯普朗克天體物理研究所的尼爾斯·奧麥恩及其同事繪制出了一幅銀河系磁場(chǎng)分布圖，描繪了磁力線沿著銀河系呈螺旋狀分布的狀態(tài)，證實(shí)了銀河系總磁場(chǎng)的強(qiáng)度僅有幾微高斯，僅為地球表面磁場(chǎng)的十萬分之一。這些事實(shí)也許就能解釋為何在茫茫宇宙中，人類往往會(huì)忽略掉磁場(chǎng)。畢竟，如此微不足道的力量怎么能影響整個(gè)星系？

宇宙中大部分的可見物質(zhì)是由帶電粒子組成的，它們的運(yùn)動(dòng)支配了宇宙磁場(chǎng)和引力。于是，這便衍生出一種可能性，即從時(shí)間開始之初，磁場(chǎng)就在塑造宇宙的過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，宇宙原始磁場(chǎng)的形成一直是個(gè)謎。

初始磁場(chǎng)填充宇宙

關(guān)于最古老磁場(chǎng)的理論數(shù)不勝數(shù)。理論一認(rèn)為，最初的磁場(chǎng)由和宇宙本身一樣古老的恒星組成，隨后通過星風(fēng)或者超新星爆發(fā)，傳播到星際空間中。理論二認(rèn)為，在“宇宙大爆炸”之后的1億年，當(dāng)?shù)谝淮阈呛托窍敌纬?，居于中央的巨大黑洞吞噬大量物質(zhì)而產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，隨后，原始磁場(chǎng)被強(qiáng)勁的物質(zhì)噴進(jìn)了星際空間。

最新的觀點(diǎn)則認(rèn)為宇宙磁場(chǎng)可能是由年輕星系熾熱的等離子體漲落而形成的，雖然十分微弱，但可以通過“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”被放大并維持。隨著星際介質(zhì)（恒星間的氣體和塵埃）的運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)，帶電粒子會(huì)不斷壓縮原始的微弱磁場(chǎng)，使之進(jìn)一步增強(qiáng)和放大。在質(zhì)量超大的恒星或者巨大黑洞自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間里，這些過程可以讓微弱磁場(chǎng)的強(qiáng)度增倍。和宇宙的年齡比起來，這個(gè)時(shí)間跨度是微不足道的，因此新生磁場(chǎng)可以迅速達(dá)到可觀的強(qiáng)度。

那么，這些作為“發(fā)電機(jī)”的微弱原始磁場(chǎng)“種子”，又是從哪兒來的呢？

“黑暗時(shí)代”

1988年，威德羅和他在美國(guó)芝加哥大學(xué)的同事邁克爾·特納假設(shè)了這樣一個(gè)場(chǎng)景：微弱原始磁場(chǎng)是在“宇宙大爆炸”后不久形成的，之后經(jīng)由宇宙超光速運(yùn)動(dòng)（超過光速的宇宙膨脹）膨脹而放大。威德羅和特納證明，膨脹階段能夠放大“種子“微弱磁場(chǎng)，從而讓整個(gè)宇宙空間都遍布磁場(chǎng)。

2013年初，意大利巴里大學(xué)的物理學(xué)家萊昂納多·坎帕內(nèi)利另辟蹊徑，解釋了這些波動(dòng)如何形成原始磁場(chǎng)。他使用了一種數(shù)學(xué)技巧。運(yùn)用此技巧，他能夠得到的原始磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)10-12高斯。但這仍小于在星際空間觀測(cè)到的10-6高斯。但是，隨著第一代恒星和星系的形成，這樣背景的磁場(chǎng)足以被放大到現(xiàn)今的規(guī)模。

當(dāng)然，也有科學(xué)家對(duì)此提出質(zhì)疑。他們的理由是：磁場(chǎng)很有可能早已在一個(gè)被稱為“黑暗時(shí)代”的階段中被抹去。

在“宇宙大爆炸”后，宇宙溫度極高，不能形成原子，只能形成帶電質(zhì)子、電子、原子核和光子。雖然它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中都能產(chǎn)生磁場(chǎng)，但沒有固定的方向，總體上會(huì)相互抵消。隨著宇宙超光速運(yùn)動(dòng)的膨脹，宇宙漸漸冷卻到足以允許原子形成的溫度，外加足夠數(shù)量的質(zhì)子聚積在一起捕獲電子，隨后產(chǎn)生了中性的氫原子。當(dāng)它們結(jié)合在一起，這些帶電粒子涌向宇宙，釋放出“宇宙大爆炸”后的殘余輻射，這就是著名的宇宙微波背景。之后，宇宙進(jìn)入了“黑暗時(shí)代”。由于在那時(shí)候沒有任何發(fā)光體（或光源），于是氫原子就是輻射的唯一來源，它能夠發(fā)出波長(zhǎng)為21厘米的獨(dú)特?zé)o線電波。

但宇宙磁場(chǎng)的問題在于帶電粒子數(shù)目的急劇暴跌。在“黑暗時(shí)代”，對(duì)應(yīng)于每1萬個(gè)氫原子，只有1個(gè)自由電子或質(zhì)子。由于磁場(chǎng)依賴電子或者質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)，一些研究人員認(rèn)為“種子”微弱磁場(chǎng)幾乎被“秒殺”。

“黑暗時(shí)代”一直持續(xù)到第一代光源出現(xiàn)為止。隨著第一代恒星和星系的形成，質(zhì)量超大的恒星在爆炸中釋放出大量輻射，將氫原子的電子剝離出去。越來越多的證據(jù)表明，第一代星系的磁場(chǎng)強(qiáng)度和銀河系的磁場(chǎng)強(qiáng)度相似。電子被剝離出去這一現(xiàn)象持續(xù)了大約10億年，這也就意味著，宇宙中遍布對(duì)磁場(chǎng)有利的電子和質(zhì)子。

射電望遠(yuǎn)鏡

綜合來自多架望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙歷史不同時(shí)期的觀測(cè)結(jié)果，天文學(xué)家希望能追蹤磁場(chǎng)的演化。了解早期磁場(chǎng)的強(qiáng)度或可幫助我們建造磁場(chǎng)起源的模型。探測(cè)衛(wèi)星“普朗克”興許會(huì)給出對(duì)首個(gè)分析結(jié)果。

同樣關(guān)注“普朗克”探測(cè)衛(wèi)星的還有射電天文學(xué)家。射電望遠(yuǎn)鏡分布在歐洲5個(gè)國(guó)家，另外還要加上位于澳大利亞的“平方千米鏡陣”射電天文望遠(yuǎn)鏡。它們的共同目標(biāo)是尋找來自天體的射電波。什么是射電波呢？射電望遠(yuǎn)鏡主要收集來自太空的無線電波，研究者希望射電望遠(yuǎn)鏡可以幫助解決天體物理學(xué)中的重大問題。同時(shí)，射電望遠(yuǎn)鏡也可以幫助人類更好地理解第一個(gè)黑洞及恒星何時(shí)產(chǎn)生。射電望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)星系間的磁場(chǎng)，研究磁場(chǎng)到底能從星系散布出去多遠(yuǎn)，幫助人類尋找對(duì)諸如宇宙形成、生命起源、地外生命等問題的答案。

隨著“平方千米鏡陣”在澳大利亞開工建造，更強(qiáng)大的觀測(cè)能力也即將成形。由3000座碟形天線構(gòu)成的天線陣使得科學(xué)家能以10倍于今天的分辨率來研究磁場(chǎng)，其精確度將比現(xiàn)有的射電天文望遠(yuǎn)鏡高50倍。天線陣將在2024年進(jìn)行首次觀測(cè)，它將搜尋出現(xiàn)在宇宙中的第一代天體，也將用來尋找早期磁場(chǎng)。

如果鏡陣發(fā)現(xiàn)在第一代恒星和星系周圍存在強(qiáng)磁場(chǎng)，原初磁場(chǎng)理論就會(huì)得到支持。這將表明，磁場(chǎng)先于星系形成。在這一情況下，“普朗克”或者下一代探測(cè)衛(wèi)星將會(huì)有助于對(duì)其進(jìn)行研究。

在未來10年左右的時(shí)間里，所有這些望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果都將會(huì)重繪我們的宇宙藍(lán)圖。只有知道了看不見的引力和磁場(chǎng)如何主宰整個(gè)宇宙，我們才會(huì)真正了解宇宙的是如何工作的。

神奇好玩的鐵磁流體

鐵磁流體又稱磁性液體，是一種既具有液體流動(dòng)性又具有固體磁性的新型材料，是由直徑為納米級(jí)的鐵磁固體顆粒和流體混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該液體在靜態(tài)時(shí)無磁性，當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，才表現(xiàn)出磁性。如果外部磁場(chǎng)不存在，鐵磁流體則不會(huì)表現(xiàn)出磁性。

1960年，美國(guó)國(guó)家航空航天局科學(xué)家帕佩利在研發(fā)液體火箭燃料時(shí)，無意中發(fā)現(xiàn)了這種可以流動(dòng)的磁鐵。這種超微納米級(jí)顆粒的研發(fā)，解決了在失重的環(huán)境下，火箭液體燃料的輸送控制問題。近期，更有興趣愛好者應(yīng)用該磁性原理，進(jìn)軍玩具市場(chǎng)。這種化學(xué)玩具制作簡(jiǎn)易、新潮又富含科學(xué)知識(shí)，同時(shí)還集未來感于一身，擁有這樣一件玩具，絕對(duì)羨煞旁人。