塑造宇宙的另一种力

　　宇宙中充满了美丽的结构，但是什么创造了它们?过去我们认为，仅仅只有引力。但现在一些人认为，除了引力，或许还有另一种力。

　　宇宙是一个美丽的地方。在最大的尺度上，一张巨型的物质网交织在整个空间。放大后，你会看到无数星系在这些网状结构中聚集。单个的星系同样也有一系列奇妙的结构，譬如我们的银河系就拥有迷人的螺旋形状。

　　几十年来，人们一直认为只有引力才可能塑造出这样的奇迹。引力虽然在四种基本作用力中是最弱的，但它是一种长程力，可以在遥远的距离上发挥作用，而且作用对象遍及所有形式的物质;四种基本作用力中强核力和弱核力，作用范围仅限于原子核内，所以在宇宙尺度上不起作用;而电磁力虽然也是长程力，但仅作用于带电物质，所以在大尺度上也可以忽略。

　　然而，现在，一系列观察和实验正在暗示，磁场的影响在大尺度上是不能忽略的。如果是这样的话，在关于宇宙如何形成的图景中，我们将不得不考虑磁场的影响。

　　塑造宇宙的只有引力吗?

　　我们对宇宙结构和引力的了解，几乎是同步开始的。早在20世纪初的几十年里，哈勃等天文学家就开始观察宇宙大尺度的结构。大约在同一时间，爱因斯坦发表了他不朽的引力理论，即广义相对论。起初，广义相对论像手套适合于手一样符合观测结果，因此天文学家认为，宇宙的大尺度结构仅仅归功于引力就足矣。

　　到了20世纪中期，瑞典物理学家、诺贝尔物理学奖获得者汉内斯·阿尔文对塑造宇宙的力量提出了不同的看法。我们之前忽略磁场的影响，是认为它只能作用于带电物质，然而阿尔文指出，宇宙中很多物质都处于等离子体状态，而等离子体恰恰就是由带电粒子组成的。他认为，磁场对等离子体施加的作用至少应该与引力对其他物质的作用相当，因此磁场在塑造宇宙方面应该也发挥了重要作用。

位于美国新墨西哥州的“甚大天线阵”

　　根据这一建议，阿尔文的支持者们开始用磁场来解决一些宇宙难题，包括螺旋星系是如何获得其形状的。但是对于这些支持者来说，总有两个大问题绕不过去。首先，这个想法很难验证，因为当时没办法观察大范围宇宙中的磁场;其次，更令人头疼的是，磁场要想在塑造宇宙方面发挥作用，必须非常强才成，而没有人知道如何才能形成足够强的磁场。

　　要制造一个磁场，你首先需要一个“发电机”，即一个由带电或导电的物质搅动起来的区域。这正是在地球内部发生的情况：地核内液态铁的循环产生了环绕地球的磁场。早期宇宙中形成的等离子体，当然也可以充作这样的发电机，但问题是，任何这样的发电机都规模太小，产生的磁场太弱，无法对星系产生实质性的影响。比如地球的磁场，很难对地球附近的火星和木星产生实质性的影响，更别说对太阳系和银河系了。要产生实质性的影响，这些磁场必须以某种方式放大许多倍才成。

　　但有什么机制可以放大磁场呢?大家心里可一点数都没有。所以，尽管关于磁场在塑造宇宙中发挥作用的话题酝酿了几十年，但直到1980年代，由于上述问题没解决，大家还是只承认，宇宙的“雕塑家”只有引力一个。

　　在宇宙中大范围的磁场是存在的

　　自1980年代以来，有一件事发生了很大的变化，那就是我们在大范围宇宙中寻找磁场的能力有了极大的提高。以美国宇航局的平流层红外天文台(SOFIA)为例，这是一个红外线望远镜，装在一架改装的巨型喷气机里，可以飞到高空进行观测，因为靠近地面的大气层水蒸气含量太高，水蒸气吸收红外光，会妨碍红外观测。

　　观测红外线与寻找磁场有什么关系呢?原来由于宇宙尘埃中一般含有铁磁性物质，所以当它们处于磁场中时，会像铁屑一样排成列，使通过它们的任何红外光发生偏振。5年前，美国斯坦福大学的天文学家洛佩兹·罗德里格斯等科学家利用一种可以接收偏振红外光的新仪器，观察到螺旋星系NGC 1068的中心是一个偏振的红外光源，说明那里存在磁场。

科学家在世界上最强大的激光设备上观察等离子体的湍流运动。

　　另外，他们还看到了一些非同寻常的东西：磁场大致按照该星系的螺旋形状分布!这样的事情之前大家可没有预测到。为了弄清楚这是否只是一种偶然，他们又查看了附近的其他20个星系。他们发现，每一个星系中都有一个渗透整个星系的大规模磁场，而且磁场的分布与星系的形状大致吻合。

　　其他望远镜也看到了类似的情况。2020年，天文学家用位于美国新墨西哥州的“甚大天线阵”(这是由27台25米口径的天线组成的射电望远镜阵列)研究螺旋星系NGC 4217时，也检测到一个遍及整个星系的大规模磁场。

　　当然了，这些结果虽然很令人惊讶，但我们也很难从中得出确切的结论：是磁场塑造了星系的形状，还是星系的形状塑造了磁场?此外，我们虽然现在观察到了宇宙中大范围的磁场，但依然不了解它们是如何被充分放大的。

　　磁场放大的机制——湍流发电机

　　从1950年代中期以来，物理学家一直在研究等离子体中的湍流。计算机模拟表明，在湍流中运动的等离子体，不仅可以充当产生磁场的发电机，还可以通过湍流运动，极大地提高磁场强度。这被称为“湍流发电机”。

　　然而，这只有在等离子体被加热到极高温度(相当于宇宙早期的温度)的时候才容易观察到。可是，极高温的等离子体在实验室并不容易制造，所以“湍流发电机”依然是一个难以验证的假说。21世纪之初，大型激光实验室出现了。这是一个验证“湍流发电机”假说的天赐良机，因为它们是地面上唯一能够制造极高温度等离子体，接近产生湍流发电机条件的地方。

　　2018年，科学家在美国欧米茄激光设施上做了第一个激光实验。他们如愿以偿地看到了等离子体磁场的快速放大。这是人类有史以来第一次瞥见湍流发电机的运行。

　　受其鼓舞，科学家又“移师”世界上最强大的激光设备上来做类似的实验。这个装置本来是为研究可控热核聚变而建造的，这里更强大的激光可以更有力地驱动等离子体湍流。科学家在实验中，一边用激光给等离子体升温，一边用X射线摄像机观察。结果证实了，湍流发电机所产生的磁场可以将等离子体固定在原地，并抑制热量的扩散达数十亿年。换句话说，湍流发电机产生的磁场可以强到足以控制物质的运动。

　　所有这些发现都为阿尔文的论点，即磁场有助于雕刻宇宙，注入了新的活力。

　　事情到这一步，也许有人会问这样一个问题：既然磁场的作用之前被宇宙学家严重忽略了，假如现在重新考虑，那么当前宇宙学中那些神秘兮兮的东西，如暗物质、暗能量，会不会跟着消失呢?也就是说，被我们一直认为是暗物质和暗能量的影响，事实上会不会只是宇宙磁场的影响而已?没错，当前一部分天文学家已经转向这个看法。但是，要想证实这种观点，仍然是一项成败难以预料的艰巨工作。