磁场

林峰

神秘力量：磁场

我们已经知道，磁场在地球上扮演了十分重要的角色。地球磁场最大的贡献是形成一道屏障，保护臭氧层免受宇宙中高能粒子的破坏，让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。

除此之外，地球磁场还把宇宙射线集中到地球的南北两个磁极。高速太阳风会以每秒数百千米的速度飞向地球，不断冲击着地球外围环境，当高能粒子流到达地球附近时，一部分会由于受洛仑兹力的作用绕过地球，剩余的部分则会被地磁系统俘获，从而使人类免受高速太阳风辐射的伤害。与此同时，太阳磁场也保护着我们，偏转了来自太阳系以外更多的致命粒子流。

不过，在以前，很少有人能够凭空臆想到在星际空间里竟然有磁场的存在。第一个证据出现于1949年的美国，两位宇航员发现，有个什么东西使得类星体辐射出的光线在飞向地球的过程中发生了偏振现象，也就是说，辐射出的光线具有一定角度。而造成这一结果的原因就是光线受到了某种力量的扭曲。后来，这个力量被证明是宇宙磁场。这是一项了不起的发现，因为看不见摸不着的磁场竟然使得星际尘埃颗粒整整齐齐地排列。

宇宙天体的电子运行方式可以产生磁极的定位，如果宇宙中没有磁极的分化存在，就不可能会有星系的形成，因此宇宙磁场广泛存在于宇宙当中的任何角落。银河系如果没有磁极作为控制，就不可能形成统一的盘状星体，更无法形成星系。那样银河系就是无规则的、方向是随机的“自由星系”。总的来说，宇宙磁场无处不在，即使纵横星系间数十亿光年的浩瀚时空也不在话下。宇宙学中最关键的星系形成原理：从恒星形成到巨大黑洞射出的高能喷流，都需要磁场的参与。事实证明，一旦有了宇宙磁场的参与，许多之前未被解决的天文学问题，就突然变得明朗多了。

宇宙磁场十分微弱。2011年，德国马克斯普朗克天体物理研究所的尼尔斯·奥麦恩及其同事绘制出了一幅银河系磁场分布图，描绘了磁力线沿着银河系呈螺旋状分布的状态，证实了银河系总磁场的强度仅有几微高斯，仅为地球表面磁场的十万分之一。这些事实也许就能解释为何在茫茫宇宙中，人类往往会忽略掉磁场。毕竟，如此微不足道的力量怎么能影响整个星系？

宇宙中大部分的可见物质是由带电粒子组成的，它们的运动支配了宇宙磁场和引力。于是，这便衍生出一种可能性，即从时间开始之初，磁场就在塑造宇宙的过程中发挥了至关重要的作用。但是，宇宙原始磁场的形成一直是个谜。

初始磁场填充宇宙

关于最古老磁场的理论数不胜数。理论一认为，最初的磁场由和宇宙本身一样古老的恒星组成，随后通过星风或者超新星爆发，传播到星际空间中。理论二认为，在“宇宙大爆炸”之后的1亿年，当第一代恒星和星系形成，居于中央的巨大黑洞吞噬大量物质而产生极强的磁场，随后，原始磁场被强劲的物质喷进了星际空间。

最新的观点则认为宇宙磁场可能是由年轻星系炽热的等离子体涨落而形成的，虽然十分微弱，但可以通过“发电机效应”被放大并维持。随着星际介质（恒星间的气体和尘埃）的运动和自转，带电粒子会不断压缩原始的微弱磁场，使之进一步增强和放大。在质量超大的恒星或者巨大黑洞自转一周的时间里，这些过程可以让微弱磁场的强度增倍。和宇宙的年龄比起来，这个时间跨度是微不足道的，因此新生磁场可以迅速达到可观的强度。

那么，这些作为“发电机”的微弱原始磁场“种子”，又是从哪儿来的呢？

“黑暗时代”

1988年，威德罗和他在美国芝加哥大学的同事迈克尔·特纳假设了这样一个场景：微弱原始磁场是在“宇宙大爆炸”后不久形成的，之后经由宇宙超光速运动（超过光速的宇宙膨胀）膨胀而放大。威德罗和特纳证明，膨胀阶段能够放大“种子“微弱磁场，从而让整个宇宙空间都遍布磁场。

2013年初，意大利巴里大学的物理学家莱昂纳多·坎帕内利另辟蹊径，解释了这些波动如何形成原始磁场。他使用了一种数学技巧。运用此技巧，他能够得到的原始磁场强度高达10-12高斯。但这仍小于在星际空间观测到的10-6高斯。但是，随着第一代恒星和星系的形成，这样背景的磁场足以被放大到现今的规模。

当然，也有科学家对此提出质疑。他们的理由是：磁场很有可能早已在一个被称为“黑暗时代”的阶段中被抹去。

在“宇宙大爆炸”后，宇宙温度极高，不能形成原子，只能形成带电质子、电子、原子核和光子。虽然它们在运动中都能产生磁场，但没有固定的方向，总体上会相互抵消。随着宇宙超光速运动的膨胀，宇宙渐渐冷却到足以允许原子形成的温度，外加足够数量的质子聚积在一起捕获电子，随后产生了中性的氢原子。当它们结合在一起，这些带电粒子涌向宇宙，释放出“宇宙大爆炸”后的残余辐射，这就是著名的宇宙微波背景。之后，宇宙进入了“黑暗时代”。由于在那时候没有任何发光体（或光源），于是氢原子就是辐射的唯一来源，它能够发出波长为21厘米的独特无线电波。

但宇宙磁场的问题在于带电粒子数目的急剧暴跌。在“黑暗时代”，对应于每1万个氢原子，只有1个自由电子或质子。由于磁场依赖电子或者质子的运动，一些研究人员认为“种子”微弱磁场几乎被“秒杀”。

“黑暗时代”一直持续到第一代光源出现为止。随着第一代恒星和星系的形成，质量超大的恒星在爆炸中释放出大量辐射，将氢原子的电子剥离出去。越来越多的证据表明，第一代星系的磁场强度和银河系的磁场强度相似。电子被剥离出去这一现象持续了大约10亿年，这也就意味着，宇宙中遍布对磁场有利的电子和质子。

射电望远镜

综合来自多架望远镜对宇宙历史不同时期的观测结果，天文学家希望能追踪磁场的演化。了解早期磁场的强度或可帮助我们建造磁场起源的模型。探测卫星“普朗克”兴许会给出对首个分析结果。

同样关注“普朗克”探测卫星的还有射电天文学家。射电望远镜分布在欧洲5个国家，另外还要加上位于澳大利亚的“平方千米镜阵”射电天文望远镜。它们的共同目标是寻找来自天体的射电波。什么是射电波呢？射电望远镜主要收集来自太空的无线电波，研究者希望射电望远镜可以帮助解决天体物理学中的重大问题。同时，射电望远镜也可以帮助人类更好地理解第一个黑洞及恒星何时产生。射电望远镜可以探测星系间的磁场，研究磁场到底能从星系散布出去多远，帮助人类寻找对诸如宇宙形成、生命起源、地外生命等问题的答案。

随着“平方千米镜阵”在澳大利亚开工建造，更强大的观测能力也即将成形。由3000座碟形天线构成的天线阵使得科学家能以10倍于今天的分辨率来研究磁场，其精确度将比现有的射电天文望远镜高50倍。天线阵将在2024年进行首次观测，它将搜寻出现在宇宙中的第一代天体，也将用来寻找早期磁场。

如果镜阵发现在第一代恒星和星系周围存在强磁场，原初磁场理论就会得到支持。这将表明，磁场先于星系形成。在这一情况下，“普朗克”或者下一代探测卫星将会有助于对其进行研究。

在未来10年左右的时间里，所有这些望远镜和卫星的观测结果都将会重绘我们的宇宙蓝图。只有知道了看不见的引力和磁场如何主宰整个宇宙，我们才会真正了解宇宙的是如何工作的。

神奇好玩的铁磁流体

铁磁流体又称磁性液体，是一种既具有液体流动性又具有固体磁性的新型材料，是由直径为纳米级的铁磁固体颗粒和流体混合而成的一种稳定的胶状液体。该液体在静态时无磁性，当外加磁场作用时，才表现出磁性。如果外部磁场不存在，铁磁流体则不会表现出磁性。

1960年，美国国家航空航天局科学家帕佩利在研发液体火箭燃料时，无意中发现了这种可以流动的磁铁。这种超微纳米级颗粒的研发，解决了在失重的环境下，火箭液体燃料的输送控制问题。近期，更有兴趣爱好者应用该磁性原理，进军玩具市场。这种化学玩具制作简易、新潮又富含科学知识，同时还集未来感于一身，拥有这样一件玩具，绝对羡煞旁人。