电磁力：宇宙中大规模建造的力量

日前，当美国还在沉睡时，一个巨大的冲击波在太空中荡漾。

这种看不见的波以光速传播了5万年这种冲击波震动了地球的保护磁场，导致我们的高层大气的一大块被摧毁还导致多颗卫星失去联系

强大的电磁波撞击地球。

这个事件是现代天体物理学中最重要的事件之一爆炸产生的能量是巨大的虽然地球的保护磁场足以防止严重的伤害，但即便如此，科学家们仍然感到震惊

他们正在寻找这个罪魁祸首首先想到的可能是巨大的超新星，也可能是巨大黑洞的喷流

但是通常的嫌疑人并不是罪犯这是一个新事物科学家在银河系的另一边发现了这个源头mdash中子星，但它的磁场比科学家们以前见过的任何东西都强

几万光年之外，一个只有几英里宽的小天体嘶嘶作响，对地球造成了物理冲击。

幸运的是，这颗磁性死星离我们很远尽管如此，科学还是意识到了磁力的可怕力量

在日常生活中，磁铁看起来很简单它们要么粘在一起，要么分开他们有北极和南极磁铁同性相斥，异性相吸磁铁之所以有这种特性，是因为两块磁铁交换能量波

物理学家称之为粒子，即一些粒子在两块磁铁之间交换。

这些粒子被称为光子这些光子与产生光的光子是同一种物质

产生的光子可以被我们的眼睛探测到，是我们用来观察周围世界的能量波。

如果我们深入到亚原子水平，我们可以揭示光子是如何处于磁性的核心。

这个奇怪的世界是由量子力学法则统治的，原子等微小粒子生活在其中，每个原子都被电子云包围着。

想想原子的结构原子核带正电荷，然后外围电子带负电荷两者相互吸引

为了解释这种力，量子物理学家认为原子核和电子都会发出短暂的光子爆发相反，带电粒子会吸收彼此的光，从而将它们吸引在一起这个力叫做电磁力

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把原子粘在一起形成分子把它的分子粘在一起会形成我们和我们周围的一切

电磁力将原子结合在一起，这是我们物质结构的根本原因。

我们体内的分子键是通过电磁相互作用结合在一起的因此，它们也被光结合在一起没有电磁的宇宙会分崩离析如果关闭电磁力，一切都会溶解，一切都会彻底崩塌

没有电磁力，就没有固体当你碰到什么东西的时候，也是电磁力

我们的原子里有电子，它们互相排斥当你试图触摸某物时，这些力会阻止你真正触摸它们

当你站在大楼的地板上时，你不会从楼上掉下来并不是因为地板特别坚固事实上，大部分楼层都是空的是地板上原子的电势和我们体内原子的电势把我们举起来

之所以大部分楼层都是空的，是因为如果把原子核放大到乒乓球大小，整个原子就有一栋楼那么大了也就是说，原子核和电子之间有一个很大的空间因此，地球上的大部分物质都是Rdquo

这就是为什么中微子可以完全穿透我们的身体而不被我们探测到因为中微子不与原子发生电磁反应，所以可以在浩瀚的原子空间中自由穿梭只有少数中微子偶尔会撞击原子核

关于中微子，笔者以后会讲到回到正题

我们体内小原子的电磁力足以让我们抵抗地球的所有引力，所以电磁力定律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了解电磁力的力量。

让我们回到宇宙只有38万岁的时候那时，没有恒星和行星，只有一团炽热，稠密，兴奋的质子和电子，在高能光子的海洋中疾驰

在早期的宇宙中，没有原子，因为能量太强了，以至于在一个非常热而且密度很大的原始汤里有独立的带电粒子。

然后，伴随着宇宙冷却下来，一切都变了从大约一分钟前到30万年前，电磁力慢慢走到了最前面

电磁力慢慢出现，质子和电子开始感受到电的力量，进而结合成原子。

电磁本质上决定了物质的力量，也是我们看到的一切最终形成的根源。

电磁力现在可以弯曲肌肉，可以把电子和质子拉在一起形成氢mdashmdash宇宙中的第一个原子。

原子聚集在一起形成热气云这些新形成的气体云发出微弱而稳定的光，然后宇宙的光被点燃

当新形成的原子相互旋转时，它们的综合磁效应也会变强宇宙中最小的磁体是原子本身，它是一个迷你磁棒，创造了亚原子世界尺度

如果大量排列氢微磁体，就会产生很强的磁场伴随着时间的推移，这些磁场开始增强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

电磁的作用塑造了早期宇宙，但并未就此止步它继续帮助宇宙进化到下一个里程碑mdash星星

至于恒星是如何形成的，这个就比较复杂了，需要重力，时间等复杂因素，但磁场起着基础性作用。

天文学家曾经认为恒星的形成很简单一个巨大的星际气体云被自身引力吸引，温度和压力伴随着气体的压缩而增加，直到它达到足够的温度和密度，足以发生核聚变并点燃核心，一颗恒星诞生了

至少，科学家过去是这么认为的可是，最近他们发现了这个简单理论的一个问题:恒星形成的主要驱动力是引力，物质在中心凝结成恒星当恒星形成时，一些东西围绕它旋转，并被其引力吸引到中心质量这时候就有了角动量的问题

因为角动量的存在，阻止了月球坠入地球科学家们意识到，同样的力量可以阻止气体落入正在形成的恒星

所以这颗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有一场战斗角动量使物体在这里旋转，而重力想把它拉到中间

如果角动量以某种方式丢失，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，使其核心温度升至1500万摄氏度

科学家们意识到，要做到这一点，我们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盘并减慢其速度，并使气体落入，最终有助于恒星本身的形成。

带电粒子运动时，会产生磁场在这种情况下，旋转气体和旋转恒星产生的磁场足以减缓气体云的速度，磁场就像宇宙的刹车系统

只要稍微慢一点，重力就会赢，最终让气体悬停到中心重力战胜了角动量在磁场的作用下，引力把气体拉得越来越近，挤压它，加热它，直到它点燃，一颗恒星诞生

20亿年前，第一颗恒星诞生了如果没有磁场，我们仍然处于黑暗之中

但是磁力也会带来可怕的伤害这些早期恒星中的一些注定会成为磁性怪物

当恒星耗尽燃料时，大质量恒星将爆炸成超新星恒星的外层被吹到了太空，其余部分，包括磁场，都被引力压碎了

几乎所有的恒星表面都有强磁场如果一颗恒星死亡并坍缩，同样大小的磁场仍将存在所以如果一颗恒星的表面积缩小1000倍或10000倍，就意味着磁场强度必须增加相同的量

剩下的就是一个超密超磁的球，大概一个城市那么大这些物体的密度是铅的一万亿倍以上

它们可能隐藏着历史上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

科学家们现在知道银河系中有25颗磁星，但他们认为可能有更多其中之一是SGR—1806—20，位于银河系的另一边，距离我们5万光年就是这个磁性怪物在2004年袭击了地球

电磁冲击波是恒星地震引起的，就像地震一样，只是在磁性恒星上磁星外壳滑动一厘米左右，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几百万倍

磁场与物质是耦合的，所以当地球外壳滑动时，磁场也会随之滑动它发出了强大的能量，距离我们5万光年，对我们的星球产生了物理影响

磁星的星震

这个小小的错误造成了巨大的影响如果这次事件再近一点，对我们的影响会很大

如果一颗磁星在距离地球几光年的地方爆炸，它可能会摧毁我们的星球可能有辐射会剥离我们的大气层让地球上的动物喘不过气来在这种近乎真空的环境下，我们的海洋会迅速蒸发，地球会变成一个没有生命的石球，在太空中旋转

在一个由野生动物和僵尸组成的宇宙动物园里，磁星是最可怕的怪物之一。

磁性提醒科学家电磁力具有不可思议的力量可是，多年来，科学家们认为它在我们银河系的演化中只是一个次要的角色

几个世纪以来，人类一直在研究夜空，绘制气体，尘埃和星星的地图但是科学家们遗漏了一个和星系本身一样大的结构mdash直径超过10万光年的巨大磁场

原子可以有磁场，磁棒可以有磁场，我们的星球有，太阳也有而且，磁场结构甚至可以有整个星系那么大

对整个星系磁场的想象

银河系磁场巨大，大小基本上是整个银河系这个磁场比任何人意识到的都要强得多如果把一个恒星的磁场和充满我们星系的气体加起来，还是不能解释我们看到的所有磁力所以应该是别的东西在驱动它

那么，渗透星系的磁场从何而来。

科学家们通过观察死亡恒星的残骸，获得了一些关于这些神秘磁场起源的线索。

记录显示，大约300年前，仙后座A遭遇了一次剧烈的超新星爆炸爆炸残留物是一个巨大的气体和尘埃球，由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，会撞击到相邻的星际气体云

天文学家发现这些碰撞产生了强大的磁场额外的磁场会产生更大的星系磁场

这种现象并不仅限于超新星爆炸，因为它们并不是唯一有影响的宇宙现象。

当黑洞喷出无法被吸收到太空中的热物质时，这些喷流会穿透气体云，产生湍流和强磁场。

有时漂浮的星际气体云相互碰撞，形成巨大的磁暴。

所以，如果把银河系的磁力比作肌肉，像这样的碰撞就是增强肌肉的类固醇。

这种磁场分布可能是解开宇宙学最大谜团之一的关键。

银河系由2000多亿颗恒星组成可是，即使这个天文数字对天文学家来说也是不够的这是因为围绕我们星系的是一个巨大的气体晕，这是完美的恒星燃料

根据计算，它应该已经变成了数千亿颗新恒星但事实并非如此为什么实际恒星数量比理论数量少很多

我们银河系的恒星数量应该是现在的十倍，但事实并非如此这是一个很大的谜团

按照传统物理学的规则，银河系周围的巨大云团应该存在于银河系的边界在这里，气体会在自身引力下凝结成一颗新的恒星

但是宇宙学家现在认为是磁场阻止了气体和尘埃成为恒星。

磁场在星系的形成中起着关键作用100亿年前，初出茅庐的银河系只是一个巨大的球状星团但伴随着时间的推移，旋转使Rdquo慢慢展平成圆盘状

物质在引力作用下的坍缩是星系最终形成的首要原因一旦物质开始运动并相互作用，磁场就变得非常重要

早期的超新星冲击波产生了湍流，将磁场传播到了婴儿期的银盘当磁盘旋转时，这些磁力线在年轻星系周围编织了一层保护涂层

这就是问题mdashmdash我们的星系是一个错综复杂的磁力线网络，它可以防止物质落入星系的中心这种强大的磁性网络阻止了大量气体落入银河系，从而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，新的证据表明磁场也决定了恒星形成的区域使得恒星更容易沿着穿过星系的磁力线网络形成，从而形成恒星的分布我们的太阳也在这个磁力线网络中

这个磁性蓝图的证据来自270万光年以外的一个星系。

三角星系有着壮观的旋臂，恒星正在生成中萌芽它们整齐地排列在一起天文学家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中气体云中的带电粒子在磁场的作用下沿着旋臂运动在这里，气体云密度更大，恒星在这里形成

星系内部气体云中的带电粒子在磁场的作用下沿着旋臂运动。

引力是星系形成的原因，但磁场塑造了星系磁场也保护我们免受太阳的威胁

太阳的规模和能量几乎难以想象它每秒钟燃烧500万吨核燃料，释放的能量为地球上大部分生命提供能量但是如果没有磁场来驯服它，我们的恒星就会毁灭我们

旋转的熔融地核产生了一个从两极爆发的磁场，并将我们整个星球包裹在一层磁场中。

这种看不见的力场偏转了来自太阳的致命带电粒子，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

但是这个重要的盾牌可能会失去它的力量事实上，在过去200年左右的时间里，它已经削弱了10%

如果按照这个速度发展下去，几千年后，可能就没有了。

如果它永远消失，从长远来看，我们会有麻烦没有磁场的保护，我们的星球将会毁灭我们只需要看看我们的行星邻居就知道会发生什么

火星可能和地球一样，表面有厚厚的大气层和水但是现在都没有了因为火星没有强磁场，这意味着它无法保护自己免受太阳风的影响

这些粒子从太阳出来，撞击火星的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，我们今天看到的火星非常寒冷和贫瘠

未来地球磁场会发生什么变化科学家已经在地球磁场的过去找到了答案要找到地球过去的磁场，只需要去熔岩流丰富的活火山

熔岩流的伟大之处在于它们能将地球磁场困在其中然后原地冷冻

因此，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融化时，这些铁粒子与地球的磁力线对齐然后，当熔岩冷却后，这个方向就被锁定了

通过挖掘历史熔岩流，科学家发现了可以追溯到几百万年前的磁记录。

说明地球磁场不仅减弱移动，有时候，整个磁场还会翻转北极和南极实际上交换了位置

而且，这个动作已经做过很多次了这告诉我们，地球磁场的方向不是有规律的变化，而是每隔一段时间，间隔几万年，也许几百万年，从北向南变化

在地球的历史进程中，经常改变方向，那么接下来的磁翻转会对地球上的生命产生怎样的影响呢。

当生物学家深入研究地球的化石记录时，他们发现磁场翻转并不是灾难性的至少科学家没有发现与磁场翻转事件有关的大灭绝事件

我们的现代文明也是如此我们不同于我们古老的祖先我们在为我们的技术提供动力的每个设备中都使用电磁力，这使我们面临威胁

人类可能正走向一场我们自己造成的灾难我们把整个文明建立在电磁学的基础上

我们的生活和文明依赖于太阳，但它也可以很容易地被带走。

我们到处都有电线，用来传输电流，但这种基础设施在某种程度上很容易受到太阳活动的影响。

日复一日，地球磁场保护我们免受太阳风的影响但是太阳也有磁场，有时它的磁力线可以成为大规模杀伤性武器这些磁性武器产生于恒星深处太阳内部是热的热物质从中心上升，然后到达表面，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，而太阳内部有无数个小磁场都在打滚，做自己的事

整个太阳都在旋转，但不是固体赤道比两极旋转得快太阳本身也在旋转，所以太阳的磁场会变得扭曲，能量更大

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壳这被称为日冕物质抛射或CME

日冕物质抛射的能量中有大量的亚原子粒子大约10亿吨，从太阳喷发到行星际空间

这个粒子云有自己的磁场如果它撞上地球，就会和我们的磁场相互作用

当日冕物质撞击地球磁场时，这种撞击将导致向家庭和企业供电的电线中的电流激增我们所有的电磁基础设施，所有的电力线，晶体管，一切都可以吸收电流，这可以使电路过载，从而造成停电和许多社会问题

每年大约有150次日冕物质撞击地球，其中一些会导致电力故障。

太阳甚至可能以我们的方式引发世界末日。

首先，一个巨大的带电粒子球将撞击一颗绕地球运行的卫星一场大的太阳风暴会影响卫星，使它们短路，我们可能会失去通信和全球定位系统

每个全球股票市场都在使用GPS如果没有卫星，世界金融基础设施可能会崩溃

飞机会停飞，通道会关闭，移动通信会瘫痪helliphellip我们的货币体系，金融体系，文明都依赖于这些。

卫星被摧毁后，日冕物质的能量会到达地面，一股巨大的电流穿过电线，让整个地球的电网超负荷运转变电站会在火花中爆炸

一个极端的太阳事件会导致大面积停电的爆炸甚至可以想象，全球将会出现大规模停电

修复电力基础设施，建造和发射新卫星将需要数年时间和数十亿美元。

一场巨大的风暴会让我们的文明崩溃强大的磁力会毁灭我们的社会，但我们很难放弃依赖电磁的习惯同样的力量保护我们，让生命在我们的星球上繁荣

磁场帮助我们建造了太阳，甚至我们的银河系没有磁力，就不会有任何东西

磁场影响着从星系形成到恒星形成，再到为我们的生活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，甚至每一个原子

它是大规模建设的最终力量，决定了物质本身的本质，也决定了地球的大气和水。

在我们生命中的每一天，我们都应该记住，我们在这里是因为磁场。