宇宙磁場的秘密! 到底從哪來?

  磁場可能瀰漫整個宇宙

  在支配萬物運動的4種基本作用力(引力、電磁力、強核力和弱核力)中，到了宇宙天體這一尺度，幾乎單剩了引力「一枝獨秀」。不僅宇宙的等級結構—恆星聚集成星系，星系組成星系團，星系團又麇集為超星系團—是由引力塑造的，就是所有的天體，恆星、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，引力並非唯一的玩家——還有一種力縱橫於宇宙之間，它就是磁力。宇宙中一些最關鍵的物理過程，從恆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，即便是星際數十億光年的距離也不在話下。當然，這些磁場是極其微弱的。冰箱門上的磁場與瀰漫銀河系內外的磁場相比，強度要高出1000多萬倍。這也許正是在宇宙學中，磁場往往會被忽略的原因。

  有人猜測，磁場可能是大爆炸之後不久的某些物理過程遺存下來的，按此推測，自「開天闢地」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「發電機效應」

  在物理學中，磁現象本質上是電荷的運動，電荷的運動產生磁場。我們知道，普通物質由原子組成，而原子又由原子核和電子組成，電子繞原子核運動。因為電子帶電，所以它的運動就產生了磁場。一個原子其實就相當於一枚小磁針。在通常的材料中，這些小磁針的朝向是雜亂無章的，結果它們的磁場兩兩抵消，整塊材料顯不出磁性來。為了讓物體顯磁性，須得讓里而的「小磁針」排列有序(如永磁體)，或者產生電流(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?按天文學家的看法，地球和太陽與生俱來就有微弱的磁場;然後，當地球外核中的液態鐵(或者太陽內部的等離子體)在地球(或太陽)自轉的過程中，做切割磁力線運動的時候，會誘導產生電流;這些電流又會產生新的磁場，來補充業已存在的磁場;得益於這一作用，微弱的「種子」磁場可以增長成強得多的磁場。這一過程叫作「發電機效應」。

  天文學家相信，在類似銀河系的旋渦星系中，磁場也會通過「發電機效應」來放大和維持:隨著星系自轉，星系中的帶電粒子會切割業已存在的微弱磁場，使之增強。2011年，德國天文學家繪製了迄今最好的銀河系磁場分布圖。結果顯示，銀河系的總磁場強度只有兒個微高斯(1微高斯=10的負6次方高斯)，僅為地球表而磁場的十萬分之一(地表磁場大約為0.5-0.6高斯)。

  接下來，我們自然要問:作為「發電機效應」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，或許要追溯到寧宙誕生之初。1988年，美國物理學家威德羅提出，原初磁場可能是在大爆炸后不久形成的。他說，字宙在誕生之初，不僅存在物質密度的漲落，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。此後，通過形形色色的「發電機效應」，產生了今天可能瀰漫全宇宙的磁場。

  威德羅當時計算得出的「種子」磁場強度為10的負50次方高斯。比天文學家今天測得的微高斯的量級小了好兒十個數量級，——這念味著，「發電機效應」要非常強大，才能把這麼一丁點的磁場放大到現有的程度。此外，他在計算機中還引人了一種迄今未被發現的粒子。正是這兩點，讓他的理論缺乏足夠的說服力。

  2013年初，一位義大利物理學家對威德羅的理論做了改進。改進后的理論不需要引入新粒子，而且得到的原初磁場強度要高得多，達到了10的負12次方高斯。這就比較有說服力了。

  如何度過「黑暗期」是個問題

  不過，這個問題並沒有一勞永逸地解決。一些天文學家說，就算「種子」磁場產生於宇宙誕生之初，但也可能會在之後的宇宙「黑暗時期」完全被抹掉。

  我們知道，磁場產生於電荷的運動，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，使得質子可以俘獲電子形成中性的氫原子。隨著它們的結合，這些粒子會向宇宙釋放出電磁波，這就是背景輻射。

  之後，宇宙就進入了黑暗時期，因為在這個時期，恆星沒還有形成，沒有任何天體會發出光，宇宙漆黑一片。唯一的輻射源就是氫原子，但它發出的電磁波屬於不可見的射電波段。

  這一時期，對於宇宙磁場來說，它所面臨的主要問題是帶電粒子數量的陡降。在黑暗時期，對應於每1萬個氫原子，只有1個自由電子或質子。由於磁場依賴於電子或者質子的運動，一些科學家認為，此時「種子」磁場可能會被抹去。

  黑暗時期一直延續到宇宙中第一批光源——第一代恆星——出現為止。隨著恆星和星系的形成，它們會釋放出巨量的輻射，將氫原子重新電離，產生自由的質子和電子。這一再電離時期會持續大約10億年，宇宙那時會再次充斥著有利於放大磁場的電子和質子。

  但是，萬一在宇宙的「黑暗時期」，「種子」磁場已經徹底被抹去了，那麼即便此後「曙光再現」，也於事無補了。那麼，「種子」磁場是如何安然度過那個荒蕪時期的?科學家迄今還茫然無緒。

  我們只有等待更多的觀測和分析。科學家相信，這個問題至關重要，因為只有了解了引力和磁場如何操控宇宙，我們才會真正了解宇宙的運轉方式。