宇宙磁場從何而來

宇宙磁場從何而來磁場可能洋溢整個(gè)宇宙在支配萬物運(yùn)動(dòng)的4種基本作使勁（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“一花獨(dú)放”。不單宇宙的等級(jí)結(jié)構(gòu)——恒星齊聚成星系，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，就是全部的天體，恒星、行星、白矮星和黑洞等，也都是引力打造的。但是，說到詳盡天體的形成，引力并不是唯一的玩家——還有一種力縱橫于宇宙之間，它就是磁力。宇宙中一些最重點(diǎn)的物理過程，從恒星形成到黑洞射出的高能噴流，都需要磁場的參加。在湊近空無一物的宇宙空間，磁場能夠延伸得特別遠(yuǎn)，即即是星際數(shù)十億光年的距離也不在話下。自然，這些磁場是極其輕微的。冰箱門上的磁場與洋溢銀河系內(nèi)外的磁場對照，強(qiáng)度要高出1000多萬倍。這也許正是在宇宙學(xué)中，磁場經(jīng)常會(huì)被忽略的原由。有人猜想，磁場可能是大爆炸此后不久的某些物理過程遺存下來的，按此推斷，自“開天辟地”以來，磁場就在塑造整個(gè)宇宙的過程中飾演了重要角色。但是，在確立這一點(diǎn)從前，我們還需要回答另一個(gè)重要問題：宇宙磁場終究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)象實(shí)質(zhì)上是電荷的運(yùn)動(dòng)，電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場。我們知道，一般物質(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?，因此它的運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生了磁場。一個(gè)原子其實(shí)就相當(dāng)于一枚小磁針。在平時(shí)的資猜中，這些小磁針的朝向是紛亂無章的，結(jié)果它們的磁場兩兩抵消，整塊資料顯不出磁性來。為了讓物體顯磁性，須得讓里面的“小磁針”擺列有序（如永磁體），也許產(chǎn)生電流（如通電螺線管）。我們最熟習(xí)的天體——地球和太陽——都有磁場。它們是怎樣獲取磁場的呢？按天文學(xué)家的看法，地球和太陽與生俱來就有輕微的磁場；爾后，當(dāng)?shù)厍蛲夂酥械囊簯B(tài)鐵（也許太陽內(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(dòng)的時(shí)候，會(huì)引誘產(chǎn)生電流；這些電流又會(huì)產(chǎn)生新的磁場，來增補(bǔ)業(yè)已存在的磁場；受益于這一作用，輕微的“種子”磁場能夠增加成強(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，在近似銀河系的旋渦星系中，磁場也會(huì)經(jīng)過“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”來放大和保持：隨著星系自轉(zhuǎn)，星系中的帶電粒子會(huì)切割業(yè)已存在的輕微磁場，使之加強(qiáng)。2011年，德國天文學(xué)家繪制了迄今最好的銀河系磁場散布圖。結(jié)果顯示，銀河系的總磁場強(qiáng)度只有幾個(gè)微高斯（1微高斯=10-6高斯），僅為地球表面磁場的十萬分之一（地表磁場大體為0.5～0.6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，也許要追想到宇宙出生之初。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，宇宙在出生之初，不單存在物質(zhì)密度的漲落，也存在磁場的漲落。雖然整個(gè)“嬰兒宇宙”中，基本粒子的“小磁針”紛亂無章地?cái)[列，因此整個(gè)宇宙不顯磁性，但不消除在某些地方，有些“小磁針”擺列得比較有序，因此局部顯出必然的磁性來，此即磁場的漲落。此即“種子”磁場的由來。此后，經(jīng)過各種各樣的“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”，產(chǎn)生了今天可能洋溢全宇宙的磁場。威德羅當(dāng)時(shí)計(jì)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(jí)小了好幾十個(gè)數(shù)目級(jí)，——這意味著，“發(fā)電機(jī)效應(yīng)”要特別富強(qiáng)，才能把這么一丁點(diǎn)的磁場放大到現(xiàn)有的程度。其他，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，并且獲取的原初磁場強(qiáng)度要高得多，達(dá)到了10-12高斯。這就比較有說服力了。怎樣度過“黑暗期”是個(gè)問題但是，這個(gè)問題并無一勞久逸地解決。一些天文學(xué)家說，就算“種子”磁場產(chǎn)生于宇宙出生之初，但也可能會(huì)在此后的宇宙“黑暗期間”完整被抹掉。我們知道，磁場產(chǎn)生于電荷的運(yùn)動(dòng)，因此磁場的保持離不開帶電粒子。在宇宙出生的最先38萬年，宇宙的溫度過高，沒法形成原子，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保持是不能夠問題的。隨著宇宙膨脹，它漸漸冷卻，使得質(zhì)子能夠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)向宇宙開釋出電磁波，這就是背景輻射。此后，宇宙就進(jìn)入了黑暗期間，因?yàn)樵谶@個(gè)期間，恒星沒還有形成，沒有任何天領(lǐng)悟發(fā)出光，宇宙烏黑一片。唯一的輻射源就是氫原子，但它發(fā)出的電磁波屬于不能夠見的射電波段。這一期間，對于宇宙磁場來說，它所面對的主要問題是帶電粒子數(shù)目的陡降。在黑暗期間，對應(yīng)于每1萬個(gè)氫原子，只有1個(gè)自由電子或質(zhì)子。因?yàn)榇艌鲆蕾囉陔娮右苍S質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)，一些科學(xué)家以為，此時(shí)“種子”磁場可能會(huì)被抹去。黑暗期間素來連續(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)開釋出巨量的輻射，將氫原子重新電離，產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。這一再電離期間會(huì)連續(xù)大體10億年，宇宙那時(shí)會(huì)再次充滿著有益于放大磁場的電子和質(zhì)子。但是，萬一在宇宙的“黑暗期間”，“種子”磁場已經(jīng)完全被抹去了，那么即便此后“曙光再現(xiàn)”，也于事無補(bǔ)了。那么，“種子”磁場是怎樣平穩(wěn)度過那個(gè)荒蕪期間的？科學(xué)家迄今還茫然無緒。我們只有等待更多的察看和解析?？茖W(xué)家相信，這個(gè)問題至關(guān)重要，因?yàn)橹挥姓J(rèn)識(shí)了引力和磁場怎樣控制宇宙，我們才會(huì)真切認(rèn)識(shí)宇宙的運(yùn)行方式?！境?jí)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，缺了又不能夠”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)，很簡單引發(fā)基因突變。突變多數(shù)時(shí)候?qū)τ趥€(gè)體的生命并不是好事。但為什么“缺了又不能夠”呢？這要從整個(gè)地球生命的起源和演化去講。最近幾年來，人們在太空中發(fā)現(xiàn)了愈來愈多的復(fù)雜有機(jī)分子。于是有人提出一種理論，以為地球生命的種子很可能來自太空。但在太空特別嚴(yán)寒的條件下，要讓無機(jī)物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)變?yōu)橛袡C(jī)物，其實(shí)不簡單。此中不能夠缺乏的條件就是一定有輻射的參加，這此中就包含宇宙射線。哪怕對“地球生命的種子來自太空”的看法存而不議，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，生命固然也能進(jìn)化，但可能要遲緩得多。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。只管我們銀河系的磁場是這樣輕微，但它還能對被稱為