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世上的第一缕磁力线从哪来?

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基督教《圣经》的创世纪中说:

起初,神创造天地。

地是空虚混沌;

深渊上一片黑暗;

神的灵运行在水面上。

神说:“要有光!”

就有了光。

用物理语言重述这段话就是:

起初,神创造空间。

空间中很安静;

粒子没有热运动;

神觉得很无聊。

神说:“粒子给我动起来!”

就有了电磁波。

图 1 宇宙微波背景辐射告诉我们,

我们的宇宙是各向异性的。

我们的生活中充满了磁场——

从使指南针转动的地磁场,

到产生太阳表面上各种壮丽现象的太阳磁场;

从我们赖以观察世界的光,

到信号塔发出的无线电信号;

从小区门口门禁的磁力门,

到平板电脑上的电容笔磁吸……

磁场无处不在。我们对它的存在习以为常,却鲜少思考它的起源——在最初,磁场究竟是如何产生的?为何我们的世界能从平平无奇的黑暗发展到如今色彩斑斓的样子?

图 2 太阳表面的冕环,

是太阳磁场活动的一种表象

波尔-范莱文定理

波尔-范莱文定理(Bohr-Van Leeuwen Theorem)告诉我们,当物质处于热力学平衡态时,物质不可能产生永久磁场——物质本身是反磁性的! (Bohr–Van Leeuwen Theorem, n.d.)比如在等离子体中,绕背景磁场进行回旋运动的电子和离子都会产生与背景磁场方向相反的磁场,从而抵消背景磁场。因此在等离子体处于热平衡态时,磁场不会自发增强,甚至不能维持。

图 3 绕磁场旋转的电子和离子都会产生与背景磁场相反的磁场,从而抵消背景磁场

由于大爆炸的余温,我们的宇宙中的物质在大爆炸后的37.5万年内都是处于电离态的——等离子体。由于我们的宇宙在大爆炸之后是各向异性的,因此大爆炸之后产生的等离子体并不完全处于热平衡态。

图 4 从宇宙大爆炸到今天

宇宙大爆炸发生在137.7亿年前,之后的37.5万年内宇宙都是不透明的(处于等离子体态,电磁波无法自由传播)。4亿年后,第一颗恒星诞生了,而后慢慢产生了星系、行星……

尽管大爆炸之后等离子体处于非热平衡态,但这并不能解释我们的宇宙中磁场的起源。所以是什么机制让非热平衡态的等离子体自发产生磁场的呢?换言之,究竟是什么机制让我们宇宙中的磁场“无中生有”呢?

答案是——Weibel不稳定性!

图 5 Gamma射线暴也和Weibel不稳定有关

在1959年Weibel (Weibel, 1959)发表的一篇论文中,他发现了一种在各向异性等离子体中的自发增长的电磁波动。他指出,只要等离子体的速度分布是足够各向异性的,这种电磁波动就会逐渐增长,最终会产生稳定、可观的磁场——磁场就这么“无中生有”了!同一年Fried (Fried, 1959)也发表了一篇文章,解释了Weibel不稳定性背后的物理机制,因此Weibel不稳定性又称Weibel-Fried不稳定性。

图 6 简单的相向流引起了Weibel不稳定性,

使得磁场自发增长。

然而,由于实验能力的限制,Weibel不稳定性产生的磁场极难测量。因此直到理论发表后的56年的2015年,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员 (C. M. Huntington, 2015)才第一次成功测量由Weibel不稳定性产生的磁场。在实验中,研究人员利用高功率的激光轰击等离子体产生了等离子体中的相向流,从而激发了Weibel不稳定性。研究人员第一次观测到了由Weibel不稳定性产生的发育良好的定向磁丝(well-developed, oriented magnetic filament)。 (Peering into cosmic magnetic fields, n.d.)

图 7 实验中使用的Omega激光器的目标腔

作者之一,Huntington说

尽管在我们的宇宙中磁场无处不在,这些磁场的起源仍然是一个谜。长久以来Weibel不稳定性就被认为是宇宙磁场起源背后的机制,而我们的这个工作是迄今为止最令人信服实验证据。

很难想象,我们宇宙中无处不在的磁场竟然是通过如此简单的机制产生的。但是仔细想一想,我们如此色彩斑斓的宇宙不过源于137亿年前的那次大爆炸;我们如此缤纷多彩的生命却仅由ATCG四种碱基的组合决定;我们生活中各式各样的电子程序亦不过是由一串0和1组成的……

这个世界的本质似乎就应该是简单的,而简单的东西通过组合可以产生无限的可能!

或许,创世纪应该加上这样一句话:

神说:“要有趣。”

就有了各向异性。

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参考资料及图片来源:

[1] Bohr–Van Leeuwen Theorem. (无日期). 检索来源: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bohr%E2%80%93van_Leeuwen_theorem

[2]C. M. HuntingtonFiuza, J. S. Ross, A. B. Zylstra, R. P. Drake, D. H. Froula, G. Gregori, N. L. Kugland, C. C. Kuranz, M. C. Levy, C. K. Li, J. Meinecke, T. Morita, R. Petrasso, C. Plechaty, B. A. Remington, D. D. Ryutov, Y. Sakawa, A. Spitkovsky, H.F. (2015). Observation of magnetic field generation via the Weibel instability in interpenetrating plasma flows. Nature Physics.

[3]Fried. (1959). Mechanism for Instability of Transverse Plasma Waves. The Physics of Fluids.

[4]Peering into cosmic magnetic fields. (无日期). 检索来源: phys.org: https://phys.org/news/2015-01-peering-cosmic-magnetic-fields.html

[5]Weibel. (1959年2月). Spontaneously Growing Transverse Waves in a Plasma Due to an Anisotropic Velocity Distribution. Phys. Rev. Lett.

[6]http://ffp14.cpt.univ-mrs.fr/DOCUMENTS/SLIDES/RYU_Chang-Mo.pdf

撰稿:黄泽森

美编:麦李婷

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