电磁力：宇宙中大规模建造的力量
【重大事件的罪魁祸首】
2004年12月27日，当美国还在沉睡的时候，一个巨大的冲击波在太空中荡漾。
这个看不见的波，以光速传播了五万年。这个冲击波震动了地球的保护磁场，导致我们地球上层大气的一大块被破坏了。还导致了几颗卫星失去联系。
强大电磁波冲击地球
这次事件是现代天体物理学中所见过的最重大的事件之一。爆炸产生的能量非常巨大。虽然地球的保护磁场足以防止严重的破坏，但即便如此，科学家们还是感到震惊。
他们寻找着这个“罪魁祸首”。首先想到的是有可能是一颗巨大的超新星，或者是一个巨大黑洞的喷射流。
但通常的嫌疑犯并不是罪魁祸首，这是一种新的东西。科学家们在银河系的另一边发现了这个源头——一颗中子星，但它的磁场却比科学家以前所见过的任何东西都强。
在几万光年之外，一个只有几英里宽的小天体发出嘶嘶声，就是它导致了在物理上影响了地球。
幸运的是，这颗有磁性的死星离我们很远，即便如此，科学还是意识到了磁性的可怕力量。
【什么电磁力】
在日常生活中，磁铁看起来很简单。它们要么粘在一起要么推开，它们有南北两极，磁铁同性相斥，异性相吸。之所以，磁铁有这个特性，是因为两个磁铁交换能量波。
物理学家称之为粒子，即在这两个磁铁之间有一些粒子被交换了。
这些粒子被称为光子。这些光子与产生光的光子相同，是同一种物质。
产生光的光子是我们的眼睛能探测到的，是我们用来观察周围世界的能量波。
如果深入到亚原子级别水平，就可以揭示光子是如何处于磁性的核心。
这个奇异的世界是由量子力学定律统治着，这里居住着原子这样的微小粒子，每个原子都是原子核外包围着电子云。
想想原子的结构，原子核带一个正电荷，然后外围的电子带一个负电荷。这两个之间相互吸引。
为了解释这种力，量子物理学家认为原子核和电子都会喷出短命的光子爆发。相反的带电粒子互相吸收对方的光，这就把它们吸引到一起，这种力被称为电磁力。
如果没有电磁力的作用，原子本身就不会结合在一起。电磁也会把原子粘在一起，就形成分子。它把分子粘在一起就会形成我们和我们周围的一切。
电磁力的作用把原子结合在一起，就是我们物质结构的根本原因。
我们身体里的分子键是由电磁相互作用结合在一起的。因此它们也是由光结合在一起的。一个没有电磁的宇宙会四分五裂。如果关闭了电磁力，所有物质都会溶解，所有的一切都将会完全崩溃。
没有电磁力，就没有固体。当你触摸某物时，那也是电磁力。
我们的原子中有电子，它们互相排斥，当你试图触摸某物体时，这些力会阻止你实际接触到它们。
当你站在大楼的地板上，你没有从楼上掉下去，不是因为地板特别结实，事实上大部分的地板都是空的，是地板上原子的电势能和我们身体里原子的电势能把我们托了起来。
之所以说大部分的地板都是空的，是因为，如果把原子核放大到乒乓球大小，那么整个个原子将是一座大楼那么大。也就是说，在原子核与电子之间有很大的一块空间。所以说，地球上的所有物质，大部分都很“空”。
这也就是为什么中微子能完全穿透我们的身体而不被我们发觉的道理。因为中微子不会与原子发生电磁反应，所以它能在广阔的原子空间中任意穿梭。只有极个别的中微子会偶尔撞到原子核。
关于中微子，笔者以后会专门讲述。继续回归正题。
我们身体里小原子的电磁力，就足以让我们对抗地球的全部引力，所以电磁力法则就是电磁力远强于引力。
所以，现在科学家们开始在宇宙尺度上理解电磁力的力量。
【宇宙的形成离不开电磁力】
让我们回到宇宙只有38万年的时候。那时候没有恒星和行星，只有一团炽热的、稠密的、被激发的质子和电子的汤，在高能光子的海洋中疾驰而过。
在早期的宇宙中，之所以没有原子，是因为能量非常的强烈，以至于在一个非常热、非常稠密的原始汤中存在着独立的带电粒子。
然后，随着宇宙的冷却，一切都变了。从宇宙大约一分钟大到宇宙30万年之间，电磁力慢慢走上了风口浪尖。
电磁力慢慢地崭露头角，质子和电子开始感受到电的力量，然后结合成原子。
电磁学本质上决定了物质的动力和我们所看到的一切的最终形成的根源。
现在电磁力可以使肌肉弯曲，它能够把电子和质子拉到一起形成氢——宇宙中的第一种原子。
氢原子聚在一起形成炽热的气体云，这些新形成的气体云发出微弱而稳定的光芒，接着宇宙之光被点燃了。
当新形成的原子相互旋转时，它们的综合磁效应也会变得更强。宇宙中最小的磁铁就是原子本身，它们是创造出与亚原子世界规模的迷你磁铁棒。
如果大量氢的微磁体排列起来，就会产生了强磁场。随着时间的推移，这些磁场开始增长。所以我们今天在宇宙中看到的所有磁场，都可以归因于这些原始磁场。
电磁作用塑造了早期的宇宙，但它并没有就此停止，它继续帮助宇宙进化出下一个里程碑——恒星。
至于恒星是如何形成的，这个就比较复杂了，需要引力和时间等复杂因素，但磁场起着基础性的作用。
天文学家曾经相信恒星的形成是简单的，一个巨大的星际气体云被它自身的引力吸引在一起，温度和压力随着气体的压缩而升高，直到它足够热和密度足够大，足以让核聚变发生并点燃核心，一颗恒星诞生了。
至少，这是科学家们过去的想法。但最近，他们发现了这个简单理论的一个问题：形成恒星的主要动力是引力，物质在中心凝结成恒星。当恒星形成时，有物质围绕着它旋转被它的引力吸引到中心质量上，此时就存在角动量的问题。
由于角动量的存在，是它阻止了月球落入地球。科学家们意识到同样的力可以阻止气体落入正在形成的恒星。
所以恒星永远不会达到临界质量，也永远不会点燃。角动量和引力之间就是一场战斗。角动量使物体在这里旋转，而引力想把它拉向中间。
如果以某种方式失去了角动量，那么恒星的形成就会进行。在恒星诞生之前，它需要吸入足够的气体，将其核心的温度提升到1500万摄氏度。
科学家们意识到要做到这一点，就必须打破引力和角动量之间的僵局。这就是磁力可以发挥作用的地方。
原始恒星的磁场可以影响星云圆盘并减缓它的速度，并使气体掉进去，最终帮助恒星自身的形成。
带电粒子运动时，会产生磁场，在这种情况下，旋转的气体和旋转的恒星产生的磁场足以减缓气体云的速度，磁场就像是宇宙的刹车系统。
只要减速了一点，引力就会获胜，并最终使气体盘旋到中心，引力击败了角动量，在磁场的作用下，引力将气体拖得越来越近，将其压碎并加热，直到点火，一颗恒星诞生了。
120亿年前，第一颗恒星诞生了，如果没有磁场，我们还是会在黑暗中。
【可怕的电磁力】
但是磁力也会带来可怕的破坏，这些早期恒星中的有一些注定会变成磁性怪物。
当恒星耗尽燃料时，大质量恒星就会爆炸成为超新星。恒星的外层被吹向太空，剩下的，包括磁场都被重力压碎了。
几乎所有的恒星表面都有很强的磁场，如果一颗恒星死亡并崩塌，同样数量的磁场仍然存在。所以如果恒星的表面积，减少了1000或10000倍，那就意味着磁场强度必须增加同样的量。
剩下的是一个超致密，超磁性的球，大约有一个城市那么大。这些物体的密度是铅的一万多亿倍。
它们可能藏匿着有史以来最极端的磁场，它们被称为磁星。它是宇宙中最强的磁场，磁力可以比地球磁场强一万亿倍。
科学家目前已知银河系中有25个磁星，但他们认为可能还有更多。其中一个是 SGR-1806-20，位于5万光年之外的银河系另一边。2004年对地球发动袭击的，就是这个磁性怪物。
电磁冲击波是由星震引起的，就像地震，但它是在磁星上。磁星的外壳滑动了大约一厘米，相当于你手指的宽度。但这比地球上任何一次地震都要大得多，是地球上任何一次地震的数百万倍。
磁场与物质都是耦合在一起的，所以当地壳滑动时，磁场也会跟着滑动。它发射了一股强大的能量，在5万光年之外，对我们的星球产生了物理影响。
磁星的星震
这个小小的失误产生了巨大的影响，如果这个事件再近一点，对我们的影响就会很大。
如果磁星在离地球几光年的地方爆发，它可能会毁灭我们的星球。可能会有一股辐射把我们的大气层给剥离掉。使地球上的动物们喘不过气来，在这个近乎真空的环境中，我们的海洋会迅速蒸发，地球会变成一个没有生命的岩石球在太空中旋转。
在一个由野兽和僵尸组成的宇宙动物园中，磁星是最可怕的怪物之一。
磁星提醒着科学家们，电磁力有着不可思议的力量。然而，多年来科学家们一直以为在我们星系的进化中，它只是一个次要的角色。
【银河系的巨大磁场】
几个世纪以来，人类一直在研究夜空，绘制气体、尘埃和恒星的地图。但是科学家们错过了一个和星系本身一样大的结构——一个直径超过10万光年的巨大磁场。
一个原子可以有一个磁场，条形磁铁可以有磁场，我们的星球有，太阳也有。而且，磁场结构甚至可以大到整个星系。
整个银河系磁场的想象图
银河有一个巨大的磁场，大小基本上是整个银河系。这个磁场比任何人都意识到的要强大得多。如果把恒星的磁场和充满我们星系的气体加起来，它仍然不能解释我们所看到的所有磁力。所以应该有别的东西在驱动它。
那么，弥漫银河系的磁场从哪里来？
科学家通过观察死亡恒星的残骸，获得了这些神秘磁场起源的一些线索。
记录显示，大约300年前，仙后座A遭受了一次剧烈的超新星爆炸。爆炸残余物是一个巨大的气体和尘埃球，被爆炸的恒星抛向太空。当气体以巨大气泡的形状向外膨胀时，它会撞上邻近的星际气体云。
天文学家发现，这些碰撞产生了强磁场。额外的磁场会产生更大的星系磁场。
这种现象不仅仅局限于超新星爆炸，因为它们并不是唯一具有冲击力的宇宙现象。
当黑洞将吸收不了的超热物质喷射到太空，这些喷流穿透气体云从而产生湍流和强大的磁场。
有时候漂浮的星际气体云会相互撞击，并形成巨大的磁暴。
所以，如果把银河系的磁性比作肌肉的话，像这样的碰撞就是增强肌肉的类固醇。
而这个磁性的分布可能是解开宇宙学中一个最大谜团的关键。
银河系由2000多亿颗恒星组成，然而，对天文学家来说，即使是这个天文数字也还不够，这是因为围绕我们星系的是一个巨大的气体光晕，是完美的恒星燃料。
根据计算，它本应变成数千亿颗新星。但事实并非如此，为什么恒星的实际数量大大少于理论数量？
我们的银河系应该有十倍于现在恒星的数量，然而并没有。这是一个很大的谜团。
根据传统物理学的规则，围绕银河系的巨大云团应该存在于银河系的边界。在这里，气体会在自身的引力作用下凝结成新的恒星。
但是宇宙学家现在认为，是磁场阻碍了气体和尘埃变成恒星。
磁场在星系的形成过程中起着关键作用。100亿年前，初出茅庐的银河系，不过是一个巨大的恒星球状群。但随着时间的推移，旋转使得“球”慢慢变平成圆盘。
物质在引力作用之下崩塌，是最终形成星系的首要原因。一旦物质开始运动和相互作用，磁场就变得很重要。
早期的超新星冲击波产生了湍流，将磁场传播到婴儿时期的银河盘。当圆盘旋转时，这些磁力线在年轻的星系周围编织了一层保护性的外衣。
这就是问题所在——我们的星系是一个由磁力线组成的错综复杂的网络，这种磁场可以防止物质落入星系中心。这个强大的磁力网阻止了大量的气体落入银河系，这就阻止了银河系中一些恒星的形成。
银河磁场不仅降低了恒星形成的速度，新的证据表明磁场还决定了恒星形成的区域。使得恒星更有可能沿着穿过星系的磁力线网形成，从而形成了恒星的分布。我们的太阳也在这个磁力线网中。
这个磁性蓝图的证据，来自270万光年外的一个星系。
三角星系拥有壮观的旋臂，星星正在迸发出生命，它们整齐地排列在一起。天文学家们意识到，旋臂可以追踪星系的磁场。
磁力线的作用有点像带电粒子的高速公路，带电粒子可以沿着它们的轨道分布，星系内气体云中的带电粒子在磁场的作用下沿旋臂方向运动。在这里，气体云密度更大，恒星就在这里形成。
星系内气体云中的带电粒子在磁场的作用下沿旋臂方向运动
引力是星系形成的原因，但磁场塑造了星系的形状。并且磁场也在保护我们免受来自太阳的威胁。
太阳的规模和能量几乎是难以想象的，它每秒燃烧500万吨核燃料，它释放的能量为地球上的大多数生命提供能量。但如果没有磁场来驯服它，我们的恒星就会毁灭我们。
【地球的磁场】
地球旋转的熔融核心，产生一个从两极爆发的磁场，把我们整个星球包裹在一层磁场之中。
这个看不见的力场使来自太阳的致命带电粒子发生偏转，从而保护我们和我们的大气层免受灾难性的破坏。
地球的磁场
但这个重要的盾牌可能会失去它的力量。事实上，在过去的大约200年里，它已经减弱了10%。
如果以这种速度继续下去，再过几千年，可能会一点都没有了。
如果它永远消失了，从长远来看，我们会有麻烦的。如果没有磁场保护，我们的星球将会毁灭。我们只要看看我们的行星邻居就知道会发生什么。
火星可能曾经像地球一样，表面有厚厚的大气层和水。但现在都没有了。就是因为，火星没有很强的磁场，这意味着它不能保护自己免受太阳风的影响。
这些粒子从太阳中发身出来，撞击火星大气层并将其吹走。它的大气层实际上被太阳风剥离了。所以，今天我们看到的火星，它很冷，很贫瘠。
地球磁场未来会怎样呢？科学家们在我们星球磁场的过去中找到了答案。要寻找地球过去的磁场，只需要到有丰富熔岩流的活火山那里寻找。
熔岩流的伟大之处在于，它们能将地球磁场困在其中。然后将其冻结在原地。
所以从这些熔岩流中提取岩石，实际上可以找到过去磁力线的方向。熔岩含有铁颗粒，当熔化时，这些铁粒子与地球磁力线成一线，然后，当熔岩冷却时，这个方向就被锁定。
通过挖掘历史上的熔岩流，科学家们发现了一个可以追溯到数百万年前的磁记录。
它表明地球的磁场不仅仅是减弱和移动，有时，整个磁场都会翻转。北极和南极实际上互换了位置。
而且，这个动作已经做了很多次。这就告诉我们，地球的磁场方向改变，不是有规律的，而是每隔一段时间，间隔数万年，也许相隔几百万年，从北向南翻转。
在地球历史的进程中经常改变方向，那么下一次磁翻将如何影响地球上的生命呢？
当生物学家深入研究了地球的化石记录后，发现磁翻转不是灾难性的。至少科学家们没有发现某个生物大灭绝事件与磁场翻转事件有关。
【我们依赖于磁场】
我们现代文明就一样了，我们不同于远古的祖先。我们在为我们的技术提供动力的每一个设备中利用电磁力，这使我们面临威胁。
人类可能正走向我们自己制造的一场大灾难。我们把整个文明建立在电磁基础上。
我们的生命和文明都依赖太阳，但它同样可以轻易地夺走。
我们到处都有电线，它们用来输送电流，但这种基础设施在某种程度上容易受到太阳活动的影响。
日复一日，地球的磁场保护我们免受太阳风的影响。但太阳也有磁场，有时它的磁力线会成为大规模杀伤性武器。这些磁性武器是在恒星的深处产生的，太阳的内部是热的，热物质从中心升起，然后来到表面，再回到下面，这个过程叫做对流。
所以这些带电粒子四处移动，并产生磁场。与地球不同的是，地球有一个像条形磁铁一样的大磁场，而太阳内部有却无数的小磁场。它们都在滚动，做着自己的事情。
整个太阳在旋转，但它不是一个固体，赤道的自转速度比两极要快。太阳自身也在自转，于是太阳的磁场就会变得扭曲，并会变得更有活力。
一旦磁力线断裂，磁场就会爆发，太阳表面就会爆发出一个充满磁性的粒子炮弹。这被称为日冕物质抛射或CME。
日冕物质抛射爆发出的能量，有大量的亚原子粒子。大约10亿吨，从太阳喷发出来进入行星际空间。
这团粒子云有它自己的磁场，如果它撞击地球，它会与我们的磁场相互作用。
当一个日冕物质撞击地球磁场时，这种冲击会导致向家庭和企业输送电力的电线中电流的激增。我们所有的电磁基础设施，所有的电力线，晶体管，所有的一切，都能吸收电流，它能使电路过载,，于是就会造成停电和社会的许多烦恼。
每年约有150次日冕物质撞击地球，有些会导致停电。
太阳甚至有可能以我们的方式引发世界末日。
首先，巨大的带电粒子球会撞上环绕地球的卫星。一场大的太阳风暴就会影响卫星，使它们短路，我们可能失去通讯，失去全球定位系统。
全球每个股市都在使用全球定位系统，如果没有卫星，世界金融基础设施可能崩溃。
飞机将被停飞，航道关闭，移动通信将会瘫痪……我们的货币体系，金融体系和文明都依赖于这些。
摧毁卫星后，日冕物质的能量将到达地面，巨大的电流会通过电线，使整个地球的电网过载。变电站就会在一阵火花中爆炸。
一个极端的太阳事件会导致巨大停电的爆炸，甚至可以想象整个世界都有大规模的停电。
修复电力基础设施，建造和发射新卫星，需要数年和数十亿美元。
一场巨大的风暴实际上会使我们的文明屈服。强大的磁力会破坏我们的社会，但是我们依赖电磁的习惯是很难戒掉的。同样的力量保护着我们，让生命在我们的星球上繁衍生息。
磁场帮助我们建立了太阳，甚至我们所在的星系，没有磁力，就什么都没有。
磁场影响着从星系的形成到恒星的形成，再到为我们的生命提供动力的过程。磁场是我们在宇宙中存在的中心，电磁力塑造了宇宙中的每一个物体，甚至每个原子。
它是大规模建设的最终力量，它决定着物质本身的本质，也决定着地球保持大气层和水。
我们生命中的每一天都要记住，我们在这里是因为磁场。
