宇宙磁場從何而來

1、磁場可能彌漫整個宇宙在支配萬物運(yùn)動的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，都需要磁場的參與。在接近空無一物的宇宙空間，磁場可以延伸得非常遠(yuǎn)，即便是星際數(shù)十億光年的距離也不在話下。當(dāng)然，這些磁場是極其微弱的。冰箱門上的磁場與彌漫銀河系內(nèi)外的磁場相比

2、，強(qiáng)度要高出1000多萬倍。這也許正是在宇宙學(xué)中，磁場往往會被忽略的原因。有人猜測，磁場可能是大爆炸之后不久的某些物理過程遺存下來的，按此推測，自“開天辟地”以來，磁場就在塑造整個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重要問題：宇宙磁場究竟是以何種方式形成的？宇宙磁場的“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，電荷的運(yùn)動產(chǎn)生磁場。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。因?yàn)殡娮訋щ?，所以它的運(yùn)動就產(chǎn)生了磁場。一個原子其實(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章的，結(jié)果它們的磁場兩兩抵消，整塊材

3、料顯不出磁性來。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都有磁場。它們是如何獲得磁場的呢？按天文學(xué)家的看法，地球和太陽與生俱來就有微弱的磁場；然后，當(dāng)?shù)厍蛲夂酥械囊簯B(tài)鐵（或者太陽內(nèi)部的等離子體）在地球（或太陽）自轉(zhuǎn)的過程中，做切割磁力線運(yùn)動的時候，會誘導(dǎo)產(chǎn)生電流；這些電流又會產(chǎn)生新的磁場，來補(bǔ)充業(yè)已存在的磁場；得益于這一作用，微弱的“種子”磁場可以增長成強(qiáng)得多的磁場。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，磁場也會通過“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”來放大和維持：隨著星系自轉(zhuǎn)，星系中的帶電粒子會切割業(yè)已存在

4、的微弱磁場，使之增強(qiáng)。2011年，德國天文學(xué)家繪制了迄今最好的銀河系磁場分布圖。結(jié)果顯示，銀河系的總磁場強(qiáng)度只有幾個微高斯（1微高斯=10-6高斯），僅為地球表面磁場的十萬分之一（地表磁場大約為0.50.6高斯）。接下來，我們自然要問：作為“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”的“種子”磁場，又是從哪兒來的呢？”“種子”磁場來自宇宙之初“種子”磁場的由來，或許要追溯到宇宙誕生之初。1988年，美國物理學(xué)家威德羅提出，原初磁場可能是在大爆炸后不久形成的。他說，宇宙在誕生之初，不僅存在物質(zhì)密度的漲落，也存在磁場的漲落。雖然整個“嬰兒宇宙”中，基本粒子的“小磁針”雜亂無章地排列，因而整個宇宙不顯磁性，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，此即磁場的漲落。此即“種子”磁場的由來。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。威德羅當(dāng)時計算得出的“種子”磁場強(qiáng)度為10-50高斯，比天文學(xué)家今天測得的微高斯的量級小了好幾十個數(shù)量級，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)的磁場放大到現(xiàn)有的程度。此外，他在計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服力。2013年初，一位意大利物理學(xué)家對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強(qiáng)度要高得多，達(dá)到了10-12高斯。這就比較有說服力了。如何度過

6、“黑暗期”是個問題不過，這個問題并沒有一勞永逸地解決。一些天文學(xué)家說，就算“種子”磁場產(chǎn)生于宇宙誕生之初，但也可能會在之后的宇宙“黑暗時期”完全被抹掉。我們知道，磁場產(chǎn)生于電荷的運(yùn)動，所以磁場的維持離不開帶電粒子。在宇宙誕生的最初38萬年，宇宙的溫度過高，無法形成原子，只有電子、核子和光子。暴脹形成的“種子”磁場由這鍋翻騰的帶電粒子來維持是不成問題的。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)入了黑暗時期，因?yàn)樵谶@個時期，恒星沒還有形成，沒有任何天體會發(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。這一時期，對于宇宙磁場來說，它所面臨的主要問題是帶電粒子數(shù)量的陡降。在黑暗時期，對應(yīng)于每1萬個氫原子，只有1個自由電子或質(zhì)子。由于磁場依賴于電子或者質(zhì)子的運(yùn)動，一些科學(xué)家認(rèn)為，此時“種子”磁場可能會被抹去。黑暗時期一直延續(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。這一再電離時期會持續(xù)大約10億年，宇宙那時會再次充斥著有利于放大磁場的電子和質(zhì)子。但是，萬一在宇宙的“黑暗時期”，“種子”磁場已經(jīng)徹底被抹去了，那么即便此后“曙光再現(xiàn)”，也于事無補(bǔ)了。那么，“種子”磁場是如何安然度過

8、那個荒蕪時期的？科學(xué)家迄今還茫然無緒。我們只有等待更多的觀測和分析。科學(xué)家相信，這個問題至關(guān)重要，因?yàn)橹挥辛私饬艘痛艌鋈绾尾倏赜钪?，我們才會真正了解宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。【超級鏈接】宇宙磁場催產(chǎn)了生命宇宙射線對于生命，屬于“多了要不得，缺了又不行”的一種東西?！岸嗔艘坏谩笔呛美斫獾?。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，很容易誘發(fā)基因突變。突變多數(shù)時候?qū)τ趥€體的生命并非好事。但為何“缺了又不行”呢？這要從整個地球生命的起源和演化去講。近年來，人們在太空中發(fā)現(xiàn)了越來越多的復(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自太空。但在太空非常寒冷的條件下，要讓無機(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“地球生命的種子來自太空”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”這個條件的，則是宇宙磁場。盡管我們銀河系的磁場是如此微弱，但它仍能對被稱為宇宙