林峰

神秘力量：磁場

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

除此之外，地球磁場還把宇宙射線集中到地球的南北兩個磁極。高速太陽風會以每秒數(shù)百千米的速度飛向地球，不斷沖擊著地球外圍環(huán)境，當高能粒子流到達地球附近時，一部分會由于受洛侖茲力的作用繞過地球，剩余的部分則會被地磁系統(tǒng)俘獲，從而使人類免受高速太陽風輻射的傷害。與此同時，太陽磁場也保護著我們，偏轉(zhuǎn)了來自太陽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的存在。第一個證據(jù)出現(xiàn)于1949年的美國，兩位宇航員發(fā)現(xiàn)，有個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，這個力量被證明是宇宙磁場。這是一項了不起的發(fā)現(xiàn)，因為看不見摸不著的磁場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，就不可能會有星系的形成，因此宇宙磁場廣泛存在于宇宙當中的任何角落。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、方向是隨機的“自由星系”?？偟膩碚f，宇宙磁場無處不在，即使縱橫星系間數(shù)十億光年的浩瀚時空也不在話下。宇宙學中最關鍵的星系形成原理：從恒星形成到巨大黑洞射出的高能噴流，都需要磁場的參與。事實證明，一旦有了宇宙磁場的參與，許多之前未被解決的天文學問題，就突然變得明朗多了。

宇宙磁場十分微弱。2011年，德國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)，證實了銀河系總磁場的強度僅有幾微高斯，僅為地球表面磁場的十萬分之一。這些事實也許就能解釋為何在茫茫宇宙中，人類往往會忽略掉磁場。畢竟，如此微不足道的力量怎么能影響整個星系？

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

初始磁場填充宇宙

關于最古老磁場的理論數(shù)不勝數(shù)。理論一認為，最初的磁場由和宇宙本身一樣古老的恒星組成，隨后通過星風或者超新星爆發(fā)，傳播到星際空間中。理論二認為，在“宇宙大爆炸”之后的1億年，當?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)生極強的磁場，隨后，原始磁場被強勁的物質(zhì)噴進了星際空間。

最新的觀點則認為宇宙磁場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)電機效應”被放大并維持。隨著星際介質(zhì)（恒星間的氣體和塵埃）的運動和自轉(zhuǎn)，帶電粒子會不斷壓縮原始的微弱磁場，使之進一步增強和放大。在質(zhì)量超大的恒星或者巨大黑洞自轉(zhuǎn)一周的時間里，這些過程可以讓微弱磁場的強度增倍。和宇宙的年齡比起來，這個時間跨度是微不足道的，因此新生磁場可以迅速達到可觀的強度。

那么，這些作為“發(fā)電機”的微弱原始磁場“種子”，又是從哪兒來的呢？

“黑暗時代”

1988年，威德羅和他在美國芝加哥大學的同事邁克爾·特納假設了這樣一個場景：微弱原始磁場是在“宇宙大爆炸”后不久形成的，之后經(jīng)由宇宙超光速運動（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，從而讓整個宇宙空間都遍布磁場。

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

當然，也有科學家對此提出質(zhì)疑。他們的理由是：磁場很有可能早已在一個被稱為“黑暗時代”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。雖然它們在運動中都能產(chǎn)生磁場，但沒有固定的方向，總體上會相互抵消。隨著宇宙超光速運動的膨脹，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，宇宙進入了“黑暗時代”。由于在那時候沒有任何發(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)出波長為21厘米的獨特無線電波。

但宇宙磁場的問題在于帶電粒子數(shù)目的急劇暴跌。在“黑暗時代”，對應于每1萬個氫原子，只有1個自由電子或質(zhì)子。由于磁場依賴電子或者質(zhì)子的運動，一些研究人員認為“種子”微弱磁場幾乎被“秒殺”。

“黑暗時代”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，第一代星系的磁場強度和銀河系的磁場強度相似。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，宇宙中遍布對磁場有利的電子和質(zhì)子。

射電望遠鏡

綜合來自多架望遠鏡對宇宙歷史不同時期的觀測結(jié)果，天文學家希望能追蹤磁場的演化。了解早期磁場的強度或可幫助我們建造磁場起源的模型。探測衛(wèi)星“普朗克”興許會給出對首個分析結(jié)果。

同樣關注“普朗克”探測衛(wèi)星的還有射電天文學家。射電望遠鏡分布在歐洲5個國家，另外還要加上位于澳大利亞的“平方千米鏡陣”射電天文望遠鏡。它們的共同目標是尋找來自天體的射電波。什么是射電波呢？射電望遠鏡主要收集來自太空的無線電波，研究者希望射電望遠鏡可以幫助解決天體物理學中的重大問題。同時，射電望遠鏡也可以幫助人類更好地理解第一個黑洞及恒星何時產(chǎn)生。射電望遠鏡可以探測星系間的磁場，研究磁場到底能從星系散布出去多遠，幫助人類尋找對諸如宇宙形成、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，更強大的觀測能力也即將成形。由3000座碟形天線構(gòu)成的天線陣使得科學家能以10倍于今天的分辨率來研究磁場，其精確度將比現(xiàn)有的射電天文望遠鏡高50倍。天線陣將在2024年進行首次觀測，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。

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

在未來10年左右的時間里，所有這些望遠鏡和衛(wèi)星的觀測結(jié)果都將會重繪我們的宇宙藍圖。只有知道了看不見的引力和磁場如何主宰整個宇宙，我們才會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性又具有固體磁性的新型材料，是由直徑為納米級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)時無磁性，當外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性。如果外部磁場不存在，鐵磁流體則不會表現(xiàn)出磁性。

1960年，美國國家航空航天局科學家帕佩利在研發(fā)液體火箭燃料時，無意中發(fā)現(xiàn)了這種可以流動的磁鐵。這種超微納米級顆粒的研發(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，更有興趣愛好者應用該磁性原理，進軍玩具市場。這種化學玩具制作簡易、新潮又富含科學知識，同時還集未來感于一身，擁有這樣一件玩具，絕對羨煞旁人。