電磁力：宇宙中大規模建造的力量
【重大事件的罪魁禍首】
2004年12月27日，當美國還在沉睡的時候，一個巨大的衝擊波在太空中蕩漾。
這個看不見的波，以光速傳播了五萬年。這個衝擊波震動了地球的保護磁場，導致我們地球上層大氣的一大塊被破壞了。還導致了幾顆衛星失去聯繫。
強大電磁波衝擊地球
這次事件是現代天體物理學中所見過的最重大的事件之一。爆炸產生的能量非常巨大。雖然地球的保護磁場足以防止嚴重的破壞，但即便如此，科學家們還是感到震驚。
他們尋找著這個「罪魁禍首」。首先想到的是有可能是一顆巨大的超新星，或者是一個巨大黑洞的噴射流。
但通常的嫌疑犯並不是罪魁禍首，這是一種新的東西。科學家們在銀河系的另一邊發現了這個源頭——一顆中子星，但它的磁場卻比科學家以前所見過的任何東西都強。
在幾萬光年之外，一個只有幾英里寬的小天體發出嘶嘶聲，就是它導致了在物理上影響了地球。
幸運的是，這顆有磁性的死星離我們很遠，即便如此，科學還是意識到了磁性的可怕力量。
【什麼電磁力】
在日常生活中，磁鐵看起來很簡單。它們要麼粘在一起要麼推開，它們有南北兩極，磁鐵同性相斥，異性相吸。之所以，磁鐵有這個特性，是因為兩個磁鐵交換能量波。
物理學家稱之為粒子，即在這兩個磁鐵之間有一些粒子被交換了。
這些粒子被稱為光子。這些光子與產生光的光子相同，是同一種物質。
產生光的光子是我們的眼睛能探測到的，是我們用來觀察周圍世界的能量波。
如果深入到亞原子級別水平，就可以揭示光子是如何處於磁性的核心。
這個奇異的世界是由量子力學定律統治著，這裡居住著原子這樣的微小粒子，每個原子都是原子核外包圍著電子云。
想想原子的結構，原子核帶一個正電荷，然後外圍的電子帶一個負電荷。這兩個之間相互吸引。
為了解釋這種力，量子物理學家認為原子核和電子都會噴出短命的光子爆發。相反的帶電粒子互相吸收對方的光，這就把它們吸引到一起，這種力被稱為電磁力。
如果沒有電磁力的作用，原子本身就不會結合在一起。電磁也會把原子粘在一起，就形成分子。它把分子粘在一起就會形成我們和我們周圍的一切。
電磁力的作用把原子結合在一起，就是我們物質結構的根本原因。
我們身體里的分子鍵是由電磁相互作用結合在一起的。因此它們也是由光結合在一起的。一個沒有電磁的宇宙會四分五裂。如果關閉了電磁力，所有物質都會溶解，所有的一切都將會完全崩潰。
沒有電磁力，就沒有固體。當你觸摸某物時，那也是電磁力。
我們的原子中有電子，它們互相排斥，當你試圖觸摸某物體時，這些力會阻止你實際接觸到它們。
當你站在大樓的地板上，你沒有從樓上掉下去，不是因為地板特別結實，事實上大部分的地板都是空的，是地板上原子的電勢能和我們身體里原子的電勢能把我們託了起來。
之所以說大部分的地板都是空的，是因為，如果把原子核放大到乒乓球大小，那麼整個個原子將是一座大樓那麼大。也就是說，在原子核與電子之間有很大的一塊空間。所以說，地球上的所有物質，大部分都很「空」。
這也就是為什麼中微子能完全穿透我們的身體而不被我們發覺的道理。因為中微子不會與原子發生電磁反應，所以它能在廣闊的原子空間中任意穿梭。只有極個別的中微子會偶爾撞到原子核。
關於中微子，筆者以後會專門講述。繼續回歸正題。
我們身體里小原子的電磁力，就足以讓我們對抗地球的全部引力，所以電磁力法則就是電磁力遠強於引力。
所以，現在科學家們開始在宇宙尺度上理解電磁力的力量。
【宇宙的形成離不開電磁力】
讓我們回到宇宙只有38萬年的時候。那時候沒有恆星和行星，只有一團熾熱的、稠密的、被激發的質子和電子的湯，在高能光子的海洋中疾馳而過。
在早期的宇宙中，之所以沒有原子，是因為能量非常的強烈，以至於在一個非常熱、非常稠密的原始湯中存在著獨立的帶電粒子。
然後，隨著宇宙的冷卻，一切都變了。從宇宙大約一分鐘大到宇宙30萬年之間，電磁力慢慢走上了風口浪尖。
電磁力慢慢地嶄露頭角，質子和電子開始感受到電的力量，然後結合成原子。
電磁學本質上決定了物質的動力和我們所看到的一切的最終形成的根源。
現在電磁力可以使肌肉彎曲，它能夠把電子和質子拉到一起形成氫——宇宙中的第一種原子。
氫原子聚在一起形成熾熱的氣體雲，這些新形成的氣體雲發出微弱而穩定的光芒，接著宇宙之光被點燃了。
當新形成的原子相互旋轉時，它們的綜合磁效應也會變得更強。宇宙中最小的磁鐵就是原子本身，它們是創造出與亞原子世界規模的迷你磁鐵棒。
如果大量氫的微磁體排列起來，就會產生了強磁場。隨著時間的推移，這些磁場開始增長。所以我們今天在宇宙中看到的所有磁場，都可以歸因於這些原始磁場。
電磁作用塑造了早期的宇宙，但它並沒有就此停止，它繼續幫助宇宙進化出下一個里程碑——恆星。
至於恆星是如何形成的，這個就比較複雜了，需要引力和時間等複雜因素，但磁場起著基礎性的作用。
天文學家曾經相信恆星的形成是簡單的，一個巨大的星際氣體雲被它自身的引力吸引在一起，溫度和壓力隨著氣體的壓縮而升高，直到它足夠熱和密度足夠大，足以讓核聚變發生並點燃核心，一顆恆星誕生了。
至少，這是科學家們過去的想法。但最近，他們發現了這個簡單理論的一個問題：形成恆星的主要動力是引力，物質在中心凝結成恆星。當恆星形成時，有物質圍繞著它旋轉被它的引力吸引到中心品質上，此時就存在角動量的問題。
由於角動量的存在，是它阻止了月球落入地球。科學家們意識到同樣的力可以阻止氣體落入正在形成的恆星。
所以恆星永遠不會達到臨界品質，也永遠不會點燃。角動量和引力之間就是一場戰鬥。角動量使物體在這裡旋轉，而引力想把它拉向中間。
如果以某種方式失去了角動量，那麼恆星的形成就會進行。在恆星誕生之前，它需要吸入足夠的氣體，將其核心的溫度提升到1500萬攝氏度。
科學家們意識到要做到這一點，就必須打破引力和角動量之間的僵局。這就是磁力可以發揮作用的地方。
原始恆星的磁場可以影響星雲圓盤並減緩它的速度，並使氣體掉進去，最終幫助恆星自身的形成。
帶電粒子運動時，會產生磁場，在這種情況下，旋轉的氣體和旋轉的恆星產生的磁場足以減緩氣體雲的速度，磁場就像是宇宙的剎車系統。
只要減速了一點，引力就會獲勝，並最終使氣體盤旋到中心，引力擊敗了角動量，在磁場的作用下，引力將氣體拖得越來越近，將其壓碎並加熱，直到點火，一顆恆星誕生了。
120億年前，第一顆恆星誕生了，如果沒有磁場，我們還是會在黑暗中。
【可怕的電磁力】
但是磁力也會帶來可怕的破壞，這些早期恆星中的有一些註定會變成磁性怪物。
當恆星耗盡燃料時，大品質恆星就會爆炸成為超新星。恆星的外層被吹向太空，剩下的，包括磁場都被重力壓碎了。
幾乎所有的恆星表面都有很強的磁場，如果一顆恆星死亡並崩塌，同樣數量的磁場仍然存在。所以如果恆星的表面積，減少了1000或10000倍，那就意味著磁場強度必須增加同樣的量。
剩下的是一個超緻密，超磁性的球，大約有一個城市那麼大。這些物體的密度是鉛的一萬多億倍。
它們可能藏匿著有史以來最極端的磁場，它們被稱為磁星。它是宇宙中最強的磁場，磁力可以比地球磁場強一萬億倍。
科學家目前已知銀河系中有25個磁星，但他們認為可能還有更多。其中一個是 SGR-1806-20，位於5萬光年之外的銀河系另一邊。2004年對地球發動襲擊的，就是這個磁性怪物。
電磁衝擊波是由星震引起的，就像地震，但它是在磁星上。磁星的外殼滑動了大約一厘米，相當於你手指的寬度。但這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數百萬倍。
磁場與物質都是耦合在一起的，所以當地殼滑動時，磁場也會跟著滑動。它發射了一股強大的能量，在5萬光年之外，對我們的星球產生了物理影響。
磁星的星震
這個小小的失誤產生了巨大的影響，如果這個事件再近一點，對我們的影響就會很大。
如果磁星在離地球幾光年的地方爆發，它可能會毀滅我們的星球。可能會有一股輻射把我們的大氣層給剝離掉。使地球上的動物們喘不過氣來，在這個近乎真空的環境中，我們的海洋會迅速蒸發，地球會變成一個沒有生命的岩石球在太空中旋轉。
在一個由野獸和殭屍組成的宇宙動物園中，磁星是最可怕的怪物之一。
磁星提醒著科學家們，電磁力有著不可思議的力量。然而，多年來科學家們一直以為在我們星系的進化中，它只是一個次要的角色。
【銀河系的巨大磁場】
幾個世紀以來，人類一直在研究夜空，繪製氣體、塵埃和恆星的地圖。但是科學家們錯過了一個和星系本身一樣大的結構——一個直徑超過10萬光年的巨大磁場。
一個原子可以有一個磁場，條形磁鐵可以有磁場，我們的星球有，太陽也有。而且，磁場結構甚至可以大到整個星系。
整個銀河系磁場的想像圖
銀河有一個巨大的磁場，大小基本上是整個銀河系。這個磁場比任何人都意識到的要強大得多。如果把恆星的磁場和充滿我們星系的氣體加起來，它仍然不能解釋我們所看到的所有磁力。所以應該有別的東西在驅動它。
那麼，瀰漫銀河系的磁場從哪裡來？
科學家通過觀察死亡恆星的殘骸，獲得了這些神秘磁場起源的一些線索。
記錄顯示，大約300年前，仙后座A遭受了一次劇烈的超新星爆炸。爆炸殘餘物是一個巨大的氣體和塵埃球，被爆炸的恆星拋向太空。當氣體以巨大氣泡的形狀向外膨脹時，它會撞上鄰近的星際氣體雲。
天文學家發現，這些碰撞產生了強磁場。額外的磁場會產生更大的星系磁場。
這種現象不僅僅局限於超新星爆炸，因為它們並不是唯一具有衝擊力的宇宙現象。
當黑洞將吸收不了的超熱物質噴射到太空，這些噴流穿透氣體雲從而產生湍流和強大的磁場。
有時候漂浮的星際氣體雲會相互撞擊，並形成巨大的磁暴。
所以，如果把銀河系的磁性比作肌肉的話，像這樣的碰撞就是增強肌肉的類固醇。
而這個磁性的分布可能是解開宇宙學中一個最大謎團的關鍵。
銀河系由2000多億顆恆星組成，然而，對天文學家來說，即使是這個天文數字也還不夠，這是因為圍繞我們星系的是一個巨大的氣體光暈，是完美的恆星燃料。
根據計算，它本應變成數千億顆新星。但事實並非如此，為什麼恆星的實際數量大大少於理論數量？
我們的銀河系應該有十倍於現在恆星的數量，然而並沒有。這是一個很大的謎團。
根據傳統物理學的規則，圍繞銀河系的巨大雲團應該存在於銀河系的邊界。在這裡，氣體會在自身的引力作用下凝結成新的恆星。
但是宇宙學家現在認為，是磁場阻礙了氣體和塵埃變成恆星。
磁場在星系的形成過程中起著關鍵作用。100億年前，初出茅廬的銀河系，不過是一個巨大的恆星球狀群。但隨著時間的推移，旋轉使得「球」慢慢變平成圓盤。
物質在引力作用之下崩塌，是最終形成星系的首要原因。一旦物質開始運動和相互作用，磁場就變得很重要。
早期的超新星衝擊波產生了湍流，將磁場傳播到嬰兒時期的銀河盤。當圓盤旋轉時，這些磁力線在年輕的星系周圍編織了一層保護性的外衣。
這就是問題所在——我們的星系是一個由磁力線組成的錯綜複雜的網路，這種磁場可以防止物質落入星系中心。這個強大的磁力網阻止了大量的氣體落入銀河系，這就阻止了銀河系中一些恆星的形成。
銀河磁場不僅降低了恆星形成的速度，新的證據表明磁場還決定了恆星形成的區域。使得恆星更有可能沿著穿過星系的磁力線網形成，從而形成了恆星的分布。我們的太陽也在這個磁力線網中。
這個磁性藍圖的證據，來自270萬光年外的一個星系。
三角星系擁有壯觀的旋臂，星星正在迸發出生命，它們整齊地排列在一起。天文學家們意識到，旋臂可以追蹤星系的磁場。
磁力線的作用有點像帶電粒子的高速公路，帶電粒子可以沿著它們的軌道分布，星系內氣體雲中的帶電粒子在磁場的作用下沿旋臂方向運動。在這裡，氣體雲密度更大，恆星就在這裡形成。
星系內氣體雲中的帶電粒子在磁場的作用下沿旋臂方向運動
引力是星系形成的原因，但磁場塑造了星系的形狀。並且磁場也在保護我們免受來自太陽的威脅。
太陽的規模和能量幾乎是難以想像的，它每秒燃燒500萬噸核燃料，它釋放的能量為地球上的大多數生命提供能量。但如果沒有磁場來馴服它，我們的恆星就會毀滅我們。
【地球的磁場】
地球旋轉的熔融核心，產生一個從兩極爆發的磁場，把我們整個星球包裹在一層磁場之中。
這個看不見的力場使來自太陽的致命帶電粒子發生偏轉，從而保護我們和我們的大氣層免受災難性的破壞。
地球的磁場
但這個重要的盾牌可能會失去它的力量。事實上，在過去的大約200年里，它已經減弱了10%。
如果以這種速度繼續下去，再過幾千年，可能會一點都沒有了。
如果它永遠消失了，從長遠來看，我們會有麻煩的。如果沒有磁場保護，我們的星球將會毀滅。我們只要看看我們的行星鄰居就知道會發生什麼。
火星可能曾經像地球一樣，表面有厚厚的大氣層和水。但現在都沒有了。就是因為，火星沒有很強的磁場，這意味著它不能保護自己免受太陽風的影響。
這些粒子從太陽中發身出來，撞擊火星大氣層並將其吹走。它的大氣層實際上被太陽風剝離了。所以，今天我們看到的火星，它很冷，很貧瘠。
地球磁場未來會怎樣呢？科學家們在我們星球磁場的過去中找到了答案。要尋找地球過去的磁場，只需要到有豐富熔岩流的活火山那裡尋找。
熔岩流的偉大之處在於，它們能將地球磁場困在其中。然後將其凍結在原地。
所以從這些熔岩流中提取岩石，實際上可以找到過去磁力線的方向。熔岩含有鐵顆粒，當熔化時，這些鐵粒子與地球磁力線成一線，然後，當熔岩冷卻時，這個方向就被鎖定。
通過挖掘歷史上的熔岩流，科學家們發現了一個可以追溯到數百萬年前的磁記錄。
它表明地球的磁場不僅僅是減弱和移動，有時，整個磁場都會翻轉。北極和南極實際上互換了位置。
而且，這個動作已經做了很多次。這就告訴我們，地球的磁場方向改變，不是有規律的，而是每隔一段時間，間隔數萬年，也許相隔幾百萬年，從北向南翻轉。
在地球歷史的進程中經常改變方向，那麼下一次磁翻將如何影響地球上的生命呢？
當生物學家深入研究了地球的化石記錄後，發現磁翻轉不是災難性的。至少科學家們沒有發現某個生物大滅絕事件與磁場翻轉事件有關。
【我們依賴於磁場】
我們現代文明就一樣了，我們不同於遠古的祖先。我們在為我們的技術提供動力的每一個設備中利用電磁力，這使我們面臨威脅。
人類可能正走向我們自己製造的一場大災難。我們把整個文明建立在電磁基礎上。
我們的生命和文明都依賴太陽，但它同樣可以輕易地奪走。
我們到處都有電線，它們用來輸送電流，但這種基礎設施在某種程度上容易受到太陽活動的影響。
日復一日，地球的磁場保護我們免受太陽風的影響。但太陽也有磁場，有時它的磁力線會成為大規模殺傷性武器。這些磁性武器是在恆星的深處產生的，太陽的內部是熱的，熱物質從中心升起，然後來到表面，再回到下面，這個過程叫做對流。
所以這些帶電粒子四處移動，併產生磁場。與地球不同的是，地球有一個像條形磁鐵一樣的大磁場，而太陽內部有卻無數的小磁場。它們都在滾動，做著自己的事情。
整個太陽在旋轉，但它不是一個固體，赤道的自轉速度比兩極要快。太陽自身也在自轉，於是太陽的磁場就會變得扭曲，並會變得更有活力。
一旦磁力線斷裂，磁場就會爆發，太陽表面就會爆發出一個充滿磁性的粒子炮彈。這被稱為日冕物質拋射或CME。
日冕物質拋射爆發出的能量，有大量的亞原子粒子。大約10億噸，從太陽噴發出來進入行星際空間。
這團粒子云有它自己的磁場，如果它撞擊地球，它會與我們的磁場相互作用。
當一個日冕物質撞擊地球磁場時，這種衝擊會導致向家庭和企業輸送電力的電線中電流的激增。我們所有的電磁基礎設施，所有的電力線，電晶體，所有的一切，都能吸收電流，它能使電路過載,，於是就會造成停電和社會的許多煩惱。
每年約有150次日冕物質撞擊地球，有些會導致停電。
太陽甚至有可能以我們的方式引發世界末日。
首先，巨大的帶電粒子球會撞上環繞地球的衛星。一場大的太陽風暴就會影響衛星，使它們短路，我們可能失去通訊，失去全球定位系統。
全球每個股市都在使用全球定位系統，如果沒有衛星，世界金融基礎設施可能崩潰。
飛機將被停飛，航道關閉，移動通訊將會癱瘓……我們的貨幣體系，金融體系和文明都依賴於這些。
摧毀衛星後，日冕物質的能量將到達地面，巨大的電流會通過電線，使整個地球的電網過載。變電站就會在一陣火花中爆炸。
一個極端的太陽事件會導致巨大停電的爆炸，甚至可以想像整個世界都有大規模的停電。
修複電力基礎設施，建造和發射新衛星，需要數年和數十億美元。
一場巨大的風暴實際上會使我們的文明屈服。強大的磁力會破壞我們的社會，但是我們依賴電磁的習慣是很難戒掉的。同樣的力量保護著我們，讓生命在我們的星球上繁衍生息。
磁場幫助我們建立了太陽，甚至我們所在的星系，沒有磁力，就什麼都沒有。
磁場影響著從星系的形成到恆星的形成，再到為我們的生命提供動力的過程。磁場是我們在宇宙中存在的中心，電磁力塑造了宇宙中的每一個物體，甚至每個原子。
它是大規模建設的最終力量，它決定著物質本身的本質，也決定著地球保持大氣層和水。
我們生命中的每一天都要記住，我們在這裡是因為磁場。
