宇宙磁場(chǎng)從何而來(lái)

1、磁場(chǎng)可能彌漫整個(gè)宇宙在支配萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)的4種基本作用力（引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力）中，到了宇宙天體這一尺度，幾乎單剩了引力“一枝獨(dú)秀”。不僅宇宙的等級(jí)結(jié)構(gòu)恒星聚集成星系，星系組成星系團(tuán)，星系團(tuán)又麇集為超星系團(tuán)是由引力塑造的，就是所有的天體，恒星、行星、白矮星和黑洞等，也都是引力打造的。然而，說(shuō)到具體天體的形成，引力并非唯一的玩家還有一種力縱橫于宇宙之間，它就是磁力。宇宙中一些最關(guān)鍵的物理過程，從恒星形成到黑洞射出的高能噴流，都需要磁場(chǎng)的參與。在接近空無(wú)一物的宇宙空間，磁場(chǎng)可以延伸得非常遠(yuǎn)，即便是星際數(shù)十億光年的距離也不在話下。當(dāng)然，這些磁場(chǎng)是極其微弱的。冰箱門上的磁場(chǎng)與彌漫銀河系內(nèi)外的磁場(chǎng)相比

2、，強(qiáng)度要高出1000多萬(wàn)倍。這也許正是在宇宙學(xué)中，磁場(chǎng)往往會(huì)被忽略的原因。有人猜測(cè)，磁場(chǎng)可能是大爆炸之后不久的某些物理過程遺存下來(lái)的，按此推測(cè)，自“開天辟地”以來(lái)，磁場(chǎng)就在塑造整個(gè)宇宙的過程中扮演了重要角色。不過，在確定這一點(diǎn)之前，我們還需要回答另一個(gè)重要問題：宇宙磁場(chǎng)究竟是以何種方式形成的？宇宙磁場(chǎng)的“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”在物理學(xué)中，磁現(xiàn)象本質(zhì)上是電荷的運(yùn)動(dòng)，電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。我們知道，普通物質(zhì)由原子組成，而原子又由原子核和電子組成，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡娮訋щ?，所以它的運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生了磁場(chǎng)。一個(gè)原子其實(shí)就相當(dāng)于一枚小磁針。在通常的材料中，這些小磁針的朝向是雜亂無(wú)章的，結(jié)果它們的磁場(chǎng)兩兩抵消，整塊材

3、料顯不出磁性來(lái)。為了讓物體顯磁性，須得讓里面的“小磁針”排列有序（如永磁體），或者產(chǎn)生電流（如通電螺線管）。我們最熟悉的天體地球和太陽(yáng)都有磁場(chǎng)。它們是如何獲得磁場(chǎng)的呢？按天文學(xué)家的看法，地球和太陽(yáng)與生俱來(lái)就有微弱的磁場(chǎng)；然后，當(dāng)?shù)厍蛲夂酥械囊簯B(tài)鐵（或者太陽(yáng)內(nèi)部的等離子體）在地球（或太陽(yáng)）自轉(zhuǎn)的過程中，做切割磁力線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生電流；這些電流又會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，來(lái)補(bǔ)充業(yè)已存在的磁場(chǎng)；得益于這一作用，微弱的“種子”磁場(chǎng)可以增長(zhǎng)成強(qiáng)得多的磁場(chǎng)。這一過程叫作“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”。天文學(xué)家相信，在類似銀河系的旋渦星系中，磁場(chǎng)也會(huì)通過“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”來(lái)放大和維持：隨著星系自轉(zhuǎn)，星系中的帶電粒子會(huì)切割業(yè)已存在

4、的微弱磁場(chǎng)，使之增強(qiáng)。2011年，德國(guó)天文學(xué)家繪制了迄今最好的銀河系磁場(chǎng)分布圖。結(jié)果顯示，銀河系的總磁場(chǎng)強(qiáng)度只有幾個(gè)微高斯（1微高斯=10-6高斯），僅為地球表面磁場(chǎng)的十萬(wàn)分之一（地表磁場(chǎng)大約為0.50.6高斯）。接下來(lái)，我們自然要問：作為“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”的“種子”磁場(chǎng)，又是從哪兒來(lái)的呢？”“種子”磁場(chǎng)來(lái)自宇宙之初“種子”磁場(chǎng)的由來(lái)，或許要追溯到宇宙誕生之初。1988年，美國(guó)物理學(xué)家威德羅提出，原初磁場(chǎng)可能是在大爆炸后不久形成的。他說(shuō)，宇宙在誕生之初，不僅存在物質(zhì)密度的漲落，也存在磁場(chǎng)的漲落。雖然整個(gè)“嬰兒宇宙”中，基本粒子的“小磁針”雜亂無(wú)章地排列，因而整個(gè)宇宙不顯磁性，但不排除在某些地方，有

5、些“小磁針”排列得比較有序，因而局部顯出一定的磁性來(lái)，此即磁場(chǎng)的漲落。此即“種子”磁場(chǎng)的由來(lái)。此后，通過形形色色的“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”，產(chǎn)生了今天可能彌漫全宇宙的磁場(chǎng)。威德羅當(dāng)時(shí)計(jì)算得出的“種子”磁場(chǎng)強(qiáng)度為10-50高斯，比天文學(xué)家今天測(cè)得的微高斯的量級(jí)小了好幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著，“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”要非常強(qiáng)大，才能把這么一丁點(diǎn)的磁場(chǎng)放大到現(xiàn)有的程度。此外，他在計(jì)算中還引入了一種迄今未被發(fā)現(xiàn)的粒子。正是這兩點(diǎn)，讓他的理論缺乏足夠的說(shuō)服力。2013年初，一位意大利物理學(xué)家對(duì)威德羅的理論做了改進(jìn)。改進(jìn)后的理論不需要引入新粒子，而且得到的原初磁場(chǎng)強(qiáng)度要高得多，達(dá)到了10-12高斯。這就比較有說(shuō)服力了。如何度過

6、“黑暗期”是個(gè)問題不過，這個(gè)問題并沒有一勞永逸地解決。一些天文學(xué)家說(shuō)，就算“種子”磁場(chǎng)產(chǎn)生于宇宙誕生之初，但也可能會(huì)在之后的宇宙“黑暗時(shí)期”完全被抹掉。我們知道，磁場(chǎng)產(chǎn)生于電荷的運(yùn)動(dòng)，所以磁場(chǎng)的維持離不開帶電粒子。在宇宙誕生的最初38萬(wàn)年，宇宙的溫度過高，無(wú)法形成原子，只有電子、核子和光子。暴脹形成的“種子”磁場(chǎng)由這鍋翻騰的帶電粒子來(lái)維持是不成問題的。隨著宇宙膨脹，它逐漸冷卻，使得質(zhì)子可以俘獲電子形成中性的氫原子。隨著它們的結(jié)合，這些粒子會(huì)向宇宙釋放出電磁波，這就是背景輻射。之后，宇宙就進(jìn)入了黑暗時(shí)期，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)期，恒星沒還有形成，沒有任何天體會(huì)發(fā)出光，宇宙漆黑一片。唯一的輻射源就是氫原子，

7、但它發(fā)出的電磁波屬于不可見的射電波段。這一時(shí)期，對(duì)于宇宙磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，它所面臨的主要問題是帶電粒子數(shù)量的陡降。在黑暗時(shí)期，對(duì)應(yīng)于每1萬(wàn)個(gè)氫原子，只有1個(gè)自由電子或質(zhì)子。由于磁場(chǎng)依賴于電子或者質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)，一些科學(xué)家認(rèn)為，此時(shí)“種子”磁場(chǎng)可能會(huì)被抹去。黑暗時(shí)期一直延續(xù)到宇宙中第一批光源第一代恒星出現(xiàn)為止。隨著恒星和星系的形成，它們會(huì)釋放出巨量的輻射，將氫原子重新電離，產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。這一再電離時(shí)期會(huì)持續(xù)大約10億年，宇宙那時(shí)會(huì)再次充斥著有利于放大磁場(chǎng)的電子和質(zhì)子。但是，萬(wàn)一在宇宙的“黑暗時(shí)期”，“種子”磁場(chǎng)已經(jīng)徹底被抹去了，那么即便此后“曙光再現(xiàn)”，也于事無(wú)補(bǔ)了。那么，“種子”磁場(chǎng)是如何安然度過

8、那個(gè)荒蕪時(shí)期的？科學(xué)家迄今還茫然無(wú)緒。我們只有等待更多的觀測(cè)和分析?？茖W(xué)家相信，這個(gè)問題至關(guān)重要，因?yàn)橹挥辛私饬艘痛艌?chǎng)如何操控宇宙，我們才會(huì)真正了解宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)方式?！境?jí)鏈接】宇宙磁場(chǎng)催產(chǎn)了生命宇宙射線對(duì)于生命，屬于“多了要不得，缺了又不行”的一種東西。“多了要不得”是好理解的。組成宇宙射線的都是高能粒子，當(dāng)它們轟擊生物體的DNA時(shí)，很容易誘發(fā)基因突變。突變多數(shù)時(shí)候?qū)τ趥€(gè)體的生命并非好事。但為何“缺了又不行”呢？這要從整個(gè)地球生命的起源和演化去講。近年來(lái)，人們?cè)谔罩邪l(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜有機(jī)分子。于是有人提出一種理論，認(rèn)為地球生命的種子很可能來(lái)自太空。但在太空非常寒冷的條件下，要讓無(wú)機(jī)物通過化學(xué)反應(yīng)變成有機(jī)物，并不容易。其中不可缺少的條件就是必須有輻射的參與，這其中就包括宇宙射線。哪怕對(duì)“地球生命的種子來(lái)自太空”的觀點(diǎn)存而不議，地球生命要進(jìn)化，要在45億年里進(jìn)化出人類，基因突變也需要有較快的速度才成；而基因突變的主要誘因是宇宙射線；沒有了宇宙射線，生命雖然也能進(jìn)化，但可能要緩慢得多。而保持抵達(dá)地球的宇宙射線“既不多，也不缺”這個(gè)條件的，則是宇宙磁場(chǎng)。盡管我們銀河系的磁場(chǎng)是如此微弱，但它仍能對(duì)被稱為宇宙