宇宙磁场从何而来？

磁场可能弥漫整个宇宙

在支配万物运动的4种基本作用力（引力、电磁力、强核力和弱核力）中，到了宇宙天体这一尺度，几乎单剩了引力“一枝独秀”。不仅宇宙的等级结构——恒星聚集成星系，星系组成星系团，星系团又麇集为超星系团——是由引力塑造的，就是所有的天体，恒星、行星、白矮星和黑洞等，也都是引力打造的。

然而，说到具体天体的形成，引力并非唯一的玩家——还有一种力纵横于宇宙之间，它就是磁力。宇宙中一些最关键的物理过程，从恒星形成到黑洞射出的高能喷流，都需要磁场的参与。

在接近空无一物的宇宙空间，磁场可以延伸得非常远，即便是星际数十亿光年的距离也不在话下。当然，这些磁场是极其微弱的。冰箱门上的磁场与弥漫银河系内外的磁场相比，强度要高出1000多万倍。这也许正是在宇宙学中，磁场往往会被忽略的原因。

有人猜测，磁场可能是大爆炸之后不久的某些物理过程遗存下来的，按此推测，自“开天辟地”以来，磁场就在塑造整个宇宙的过程中扮演了重要角色。

不过，在确定这一点之前，我们还需要回答另一个重要问题：宇宙磁场究竟是以何种方式形成的？

宇宙磁场的“发电机效应”

在物理学中，磁现象本质上是电荷的运动，电荷的运动产生磁场。我们知道，普通物质由原子组成，而原子又由原子核和电子组成，电子绕原子核运动。因为电子带电，所以它的运动就产生了磁场。一个原子其实就相当于一枚小磁针。在通常的材料中，这些小磁针的朝向是杂乱无章的，结果它们的磁场两两抵消，整块材料显不出磁性来。为了让物体显磁性，须得让里面的“小磁针”排列有序（如永磁体），或者产生电流（如通电螺线管）。

我们最熟悉的天体——地球和太阳——都有磁场。它们是如何获得磁场的呢？按天文学家的看法，地球和太阳与生俱来就有微弱的磁场；然后，当地球外核中的液态铁（或者太阳内部的等离子体）在地球（或太阳）自转的过程中，做切割磁力线运动的时候，会诱导产生电流；这些电流又会产生新的磁场，来补充业已存在的磁场；得益于这一作用，微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。这一过程叫作“发电机效应”。

天文学家相信，在类似银河系的旋涡星系中，磁场也会通过“发电机效应”来放大和维持：随着星系自转，星系中的带电粒子会切割业已存在的微弱磁场，使之增强。2011年，德国天文学家绘制了迄今最好的银河系磁场分布图。结果显示，银河系的总磁场强度只有几个微高斯（1微高斯=10-6高斯），仅为地球表面磁场的十万分之一（地表磁场大约为0.5～0.6高斯）。

接下来，我们自然要问：作为“发电机效应”的“种子”磁场，又是从哪儿来的呢？”

“种子”磁场来自宇宙之初

“种子”磁场的由来，或许要追溯到宇宙诞生之初。1988年，美国物理学家威德罗提出，原初磁场可能是在大爆炸后不久形成的。他说，宇宙在诞生之初，不仅存在物质密度的涨落，也存在磁场的涨落。虽然整个“婴儿宇宙”中，基本粒子的“小磁针”杂乱无章地排列，因而整个宇宙不显磁性，但不排除在某些地方，有些“小磁针”排列得比较有序，因而局部显出一定的磁性来，此即磁场的涨落。此即“种子”磁场的由来。此后，通过形形色色的“发电机效应”，产生了今天可能弥漫全宇宙的磁场。

威德罗当时计算得出的“种子”磁场强度为10-50高斯，比天文学家今天测得的微高斯的量级小了好几十个数量级，——这意味着，“发电机效应”要非常强大，才能把这么一丁点的磁场放大到现有的程度。此外，他在计算中还引入了一种迄今未被发现的粒子。正是这两点，让他的理论缺乏足够的说服力。

2013年初，一位意大利物理学家对威德罗的理论做了改进。改进后的理论不需要引入新粒子，而且得到的原初磁场强度要高得多，达到了10-12高斯。这就比较有说服力了。

如何度过“黑暗期”是个问题

不过，这个问题并没有一劳永逸地解决。一些天文学家说，就算“种子”磁场产生于宇宙诞生之初，但也可能会在之后的宇宙“黑暗时期”完全被抹掉。

我们知道，磁场产生于电荷的运动，所以磁场的维持离不开带电粒子。在宇宙诞生的最初38万年，宇宙的温度过高，无法形成原子，只有电子、核子和光子。暴胀形成的“种子”磁场由这锅翻腾的带电粒子来维持是不成问题的。

随着宇宙膨胀，它逐渐冷却，使得质子可以俘获电子形成中性的氢原子。随着它们的结合，这些粒子会向宇宙释放出电磁波，这就是背景辐射。

之后，宇宙就进入了黑暗时期，因为在这个时期，恒星没还有形成，没有任何天体会发出光，宇宙漆黑一片。唯一的辐射源就是氢原子，但它发出的电磁波属于不可见的射电波段。

这一时期，对于宇宙磁场来说，它所面临的主要问题是带电粒子数量的陡降。在黑暗时期，对应于每1万个氢原子，只有1个自由电子或质子。由于磁场依赖于电子或者质子的运动，一些科学家认为，此时“种子”磁场可能会被抹去。

黑暗时期一直延续到宇宙中第一批光源——第一代恒星——出现为止。随着恒星和星系的形成，它们会释放出巨量的辐射，将氢原子重新电离，产生自由的质子和电子。这一再电离时期会持续大约10亿年，宇宙那时会再次充斥着有利于放大磁场的电子和质子。

但是，万一在宇宙的“黑暗时期”，“种子”磁场已经彻底被抹去了，那么即便此后“曙光再现”，也于事无补了。那么，“种子”磁场是如何安然度过那个荒芜时期的？科学家迄今还茫然无绪。

我们只有等待更多的观测和分析。科学家相信，这个问题至关重要，因为只有了解了引力和磁场如何操控宇宙，我们才会真正了解宇宙的运转方式。

【超级链接】 宇宙磁场催产了生命

宇宙射线对于生命，属于“多了要不得，缺了又不行”的一种东西。

“多了要不得”是好理解的。组成宇宙射线的都是高能粒子，当它们轰击生物体的DNA时，很容易诱发基因突变。突变多数时候对于个体的生命并非好事。

但为何“缺了又不行”呢？这要从整个地球生命的起源和演化去讲。近年来，人们在太空中发现了越来越多的复杂有机分子。于是有人提出一种理论，认为地球生命的种子很可能来自太空。但在太空非常寒冷的条件下，要让无机物通过化学反应变成有机物，并不容易。其中不可缺少的条件就是必须有辐射的参与，这其中就包括宇宙射线。

哪怕对“地球生命的种子来自太空”的观点存而不议，地球生命要进化，要在45亿年里进化出人类，基因突变也需要有较快的速度才成；而基因突变的主要诱因是宇宙射线；没有了宇宙射线，生命虽然也能进化，但可能要缓慢得多。

而保持抵达地球的宇宙射线“既不多，也不缺”这个条件的，则是宇宙磁场。

尽管我们银河系的磁场是如此微弱，但它仍能对被称为宇宙射线的带电粒子的运动产生影响，弯曲它们的轨迹，甚至可以把它们束缚在银河系中达数百万年。如果没有这个磁场，宇宙射线在形成后不久就会飞出银河系，抵达不了我们地球。

但是反过来，倘若没有地球和太阳的磁场保护着我们，偏转掉大部分的宇宙射线，地球生命恐怕也早已绝迹了。事情就是这么微妙。

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