神秘力量：磁場(chǎng)
我們已經(jīng)知道，磁場(chǎng)在地球上扮演了十分重要的角色。地球磁場(chǎng)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(huì )暴露在有害的紫外線(xiàn)之下。
除此之外，地球磁場(chǎng)還把宇宙射線(xiàn)集中到地球的南北兩個(gè)磁極。高速太陽(yáng)風(fēng)會(huì )以每秒數百千米的速度飛向地球，不斷沖擊著(zhù)地球外圍環(huán)境，當高能粒子流到達地球附近時(shí)，一部分會(huì )由于受洛侖茲力的作用繞過(guò)地球，剩余的部分則會(huì )被地磁系統俘獲，從而使人類(lèi)免受高速太陽(yáng)風(fēng)輻射的傷害。與此同時(shí)，太陽(yáng)磁場(chǎng)也保護著(zhù)我們，偏轉了來(lái)自太陽(yáng)系以外更多的致命粒子流。
不過(guò)，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(chǎng)的存在。第一個(gè)證據出現于1949年的美國，兩位宇航員發(fā)現，有個(gè)什么東西使得類(lèi)星體輻射出的光線(xiàn)在飛向地球的過(guò)程中發(fā)生了偏振現象，也就是說(shuō)，輻射出的光線(xiàn)具有一定角度。而造成這一結果的原因就是光線(xiàn)受到了某種力量的扭曲。后來(lái)，這個(gè)力量被證明是宇宙磁場(chǎng)。這是一項了不起的發(fā)現，因為看不見(jiàn)摸不著(zhù)的磁場(chǎng)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(méi)有磁極的分化存在，就不可能會(huì )有星系的形成，因此宇宙磁場(chǎng)廣泛存在于宇宙當中的任何角落。銀河系如果沒(méi)有磁極作為控制，就不可能形成統一的盤(pán)狀星體，更無(wú)法形成星系。那樣銀河系就是無(wú)規則的、方向是隨機的“自由星系”?？偟膩?lái)說(shuō)，宇宙磁場(chǎng)無(wú)處不在，即使縱橫星系間數十億光年的浩瀚時(shí)空也不在話(huà)下。宇宙學(xué)中最關(guān)鍵的星系形成原理：從恒星形成到巨大黑洞射出的高能?chē)娏?，都需要磁?chǎng)的參與。事實(shí)證明，一旦有了宇宙磁場(chǎng)的參與，許多之前未被解決的天文學(xué)問(wèn)題，就突然變得明朗多了。
宇宙磁場(chǎng)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(chǎng)分布圖，描繪了磁力線(xiàn)沿著(zhù)銀河系呈螺旋狀分布的狀態(tài)，證實(shí)了銀河系總磁場(chǎng)的強度僅有幾微高斯，僅為地球表面磁場(chǎng)的十萬(wàn)分之一。這些事實(shí)也許就能解釋為何在茫茫宇宙中，人類(lèi)往往會(huì )忽略掉磁場(chǎng)。畢竟，如此微不足道的力量怎么能影響整個(gè)星系？
宇宙中大部分的可見(jiàn)物質(zhì)是由帶電粒子組成的，它們的運動(dòng)支配了宇宙磁場(chǎng)和引力。于是，這便衍生出一種可能性，即從時(shí)間開(kāi)始之初，磁場(chǎng)就在塑造宇宙的過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，宇宙原始磁場(chǎng)的形成一直是個(gè)謎。
初始磁場(chǎng)填充宇宙
關(guān)于最古老磁場(chǎng)的理論數不勝數。理論一認為，最初的磁場(chǎng)由和宇宙本身一樣古老的恒星組成，隨后通過(guò)星風(fēng)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，當第一代恒星和星系形成，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(chǎng)，隨后，原始磁場(chǎng)被強勁的物質(zhì)噴進(jìn)了星際空間。
最新的觀(guān)點(diǎn)則認為宇宙磁場(chǎng)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(guò)“發(fā)電機效應”被放大并維持。隨著(zhù)星際介質(zhì)（恒星間的氣體和塵埃）的運動(dòng)和自轉，帶電粒子會(huì )不斷壓縮原始的微弱磁場(chǎng)，使之進(jìn)一步增強和放大。在質(zhì)量超大的恒星或者巨大黑洞自轉一周的時(shí)間里，這些過(guò)程可以讓微弱磁場(chǎng)的強度增倍。和宇宙的年齡比起來(lái)，這個(gè)時(shí)間跨度是微不足道的，因此新生磁場(chǎng)可以迅速達到可觀(guān)的強度。
那么，這些作為“發(fā)電機”的微弱原始磁場(chǎng)“種子”，又是從哪兒來(lái)的呢？
“黑暗時(shí)代”
1988年，威德羅和他在美國芝加哥大學(xué)的同事邁克爾·特納假設了這樣一個(gè)場(chǎng)景：微弱原始磁場(chǎng)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(dòng)（超過(guò)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(chǎng)，從而讓整個(gè)宇宙空間都遍布磁場(chǎng)。
2013年初，意大利巴里大學(xué)的物理學(xué)家萊昂納多·坎帕內利另辟蹊徑，解釋了這些波動(dòng)如何形成原始磁場(chǎng)。他使用了一種數學(xué)技巧。運用此技巧，他能夠得到的原始磁場(chǎng)強度高達10-12高斯。但這仍小于在星際空間觀(guān)測到的10-6高斯。但是，隨著(zhù)第一代恒星和星系的形成，這樣背景的磁場(chǎng)足以被放大到現今的規模。
當然，也有科學(xué)家對此提出質(zhì)疑。他們的理由是：磁場(chǎng)很有可能早已在一個(gè)被稱(chēng)為“黑暗時(shí)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(dòng)中都能產(chǎn)生磁場(chǎng)，但沒(méi)有固定的方向，總體上會(huì )相互抵消。隨著(zhù)宇宙超光速運動(dòng)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(zhù)名的宇宙微波背景。之后，宇宙進(jìn)入了“黑暗時(shí)代”。由于在那時(shí)候沒(méi)有任何發(fā)光體（或光源），于是氫原子就是輻射的唯一來(lái)源，它能夠發(fā)出波長(cháng)為21厘米的獨特無(wú)線(xiàn)電波。
但宇宙磁場(chǎng)的問(wèn)題在于帶電粒子數目的急劇暴跌。在“黑暗時(shí)代”，對應于每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(lài)電子或者質(zhì)子的運動(dòng)，一些研究人員認為“種子”微弱磁場(chǎng)幾乎被“秒殺”。
“黑暗時(shí)代”一直持續到第一代光源出現為止。隨著(zhù)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(lái)越多的證據表明，第一代星系的磁場(chǎng)強度和銀河系的磁場(chǎng)強度相似。電子被剝離出去這一現象持續了大約10億年，這也就意味著(zhù)，宇宙中遍布對磁場(chǎng)有利的電子和質(zhì)子。
射電望遠鏡
綜合來(lái)自多架望遠鏡對宇宙歷史不同時(shí)期的觀(guān)測結果，天文學(xué)家希望能追蹤磁場(chǎng)的演化。了解早期磁場(chǎng)的強度或可幫助我們建造磁場(chǎng)起源的模型。探測衛星“普朗克”興許會(huì )給出對首個(gè)分析結果。
同樣關(guān)注“普朗克”探測衛星的還有射電天文學(xué)家。射電望遠鏡分布在歐洲5個(gè)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(lái)自天體的射電波。什么是射電波呢？射電望遠鏡主要收集來(lái)自太空的無(wú)線(xiàn)電波，研究者希望射電望遠鏡可以幫助解決天體物理學(xué)中的重大問(wèn)題。同時(shí)，射電望遠鏡也可以幫助人類(lèi)更好地理解第一個(gè)黑洞及恒星何時(shí)產(chǎn)生。射電望遠鏡可以探測星系間的磁場(chǎng)，研究磁場(chǎng)到底能從星系散布出去多遠，幫助人類(lèi)尋找對諸如宇宙形成、生命起源、地外生命等問(wèn)題的答案。
隨著(zhù)“平方千米鏡陣”在澳大利亞開(kāi)工建造，更強大的觀(guān)測能力也即將成形。由3000座碟形天線(xiàn)構成的天線(xiàn)陣使得科學(xué)家能以10倍于今天的分辨率來(lái)研究磁場(chǎng)，其精確度將比現有的射電天文望遠鏡高50倍。天線(xiàn)陣將在2024年進(jìn)行首次觀(guān)測，它將搜尋出現在宇宙中的第一代天體，也將用來(lái)尋找早期磁場(chǎng)。
如果鏡陣發(fā)現在第一代恒星和星系周?chē)嬖趶姶艌?chǎng)，原初磁場(chǎng)理論就會(huì )得到支持。這將表明，磁場(chǎng)先于星系形成。在這一情況下，“普朗克”或者下一代探測衛星將會(huì )有助于對其進(jìn)行研究。
在未來(lái)10年左右的時(shí)間里，所有這些望遠鏡和衛星的觀(guān)測結果都將會(huì )重繪我們的宇宙藍圖。只有知道了看不見(jiàn)的引力和磁場(chǎng)如何主宰整個(gè)宇宙，我們才會(huì )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(chēng)磁性液體，是一種既具有液體流動(dòng)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定的膠狀液體。該液體在靜態(tài)時(shí)無(wú)磁性，當外加磁場(chǎng)作用時(shí)，才表現出磁性。如果外部磁場(chǎng)不存在，鐵磁流體則不會(huì )表現出磁性。
1960年，美國國家航空航天局科學(xué)家帕佩利在研發(fā)液體火箭燃料時(shí)，無(wú)意中發(fā)現了這種可以流動(dòng)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(wèn)題。近期，更有興趣愛(ài)好者應用該磁性原理，進(jìn)軍玩具市場(chǎng)。這種化學(xué)玩具制作簡(jiǎn)易、新潮又富含科學(xué)知識，同時(shí)還集未來(lái)感于一身，擁有這樣一件玩具，絕對羨煞旁人。
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