12、极端环境之强磁场（1/1）

科学的逻辑12、极端环境之强磁场：准备有声小说在线收听

如果一个人小时候没有被磁石吸铁的现象吸引，那么至少说明他缺少对新现象的敏感性和探索未知的好奇心。爱因斯坦小时候就被一个罗盘深深吸引，相信一定有一种神奇的力量在支配着罗盘。现在我们知道，这股神奇的力量就是磁场。最早的磁现象只是发现天然磁石可以吸引铁、钴、镍等金属，人们对这种神奇的现象缺少深入的理解。直到奥斯特偶然间发现电流附近的小磁针发生了偏转。这个偶然的发现无意间打开了一扇大门，产生了一系列的历史蝴蝶效应，它第一次揭示了电和磁之间的深刻联系，让我们认识到一个多彩的电磁世界，对后世产生了深远的影响。

奥斯特的发现明白无误的告诉人们，电流可以产生磁场。安培很快通过一系列实验得到了电流产生磁场的定量规律，并认为所有的磁场都是由电流产生的，从而提出安培分子电流假说，解释了部分磁现象。对磁性的深入研究发现，磁现象可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。现在我们知道，电流并不是磁场唯一的起源，变化的电场以及电子与原子核的自旋同样可以产生磁场。这后两种磁场的起源依据的分别是麦克斯韦电磁场理论和量子理论。皮埃尔居里研究了铁磁性物质随温度的变化情况，提出了居里定律，发现铁磁性在某个温度下会转化为普通的顺磁性物质，这就是顺磁铁磁相变。由于顺磁体和抗磁体磁性很弱，而铁磁体在外磁场作用下会产生更强的磁场，因此应用广泛。海森伯也通过量子理论解释了铁磁性的微观起源，而朗道的磁畴理论更进一步的理解了铁磁体。

地磁场的场强大约只有0.03毫特斯拉，一个普通条形磁铁可产生0.01特斯拉的磁场，而永磁性铷铁硼磁场最大可达1.5特斯拉。天然磁石的磁性还不够强，如何产生更强的磁场成为下一步努力的目标。既然电流可以产生磁场那么增强磁场的方式就是增大电流和线圈的匝数，并在线圈中插入铁芯。磁场强度和电流大小、线圈匝数成正比，插入铁芯也会让磁场增大2~8倍。只是伴随着电流的增大产生大量的焦耳热，限制了磁场强度的进一步提升。伴随着超导现象的发现，人们找到了一种产生更强磁场的方法，由于超导电流没有电阻，因此不产生焦耳热，可以制造出很强的磁场，最高可达十几甚至几十特斯拉，更重要的是产生超导磁场比普通磁场消耗的功率要小的多。

值得一提的是，原子内部由于电子轨道及自旋运动产生的磁场也有几十特斯拉，和超导磁场处在同一数量级，因此在超导磁场的作用下，可以显著改变原子分子的化学性质，从而强磁场可以显著影响到材料的性质。目前已经在自然界中发现了3000万种有机化合物和十多万种无机物，想象一下数量庞大的化学物质种类，再加上相应的溶液、合金、混合物等，是一个数量极其庞大的实验对象，将任何一种物质置于超导强磁场中都是一个新的实验，更何况不同物质之间大量可能的的化学反应。因此超导磁场的获得可能会对强磁场下的化学反应、新材料的电、磁、光学性质的影响和新材料研发以及有机药物的合成，产生深远的影响，是一个值得投入的科研领域，该领域的理论和实验两个方向都将大有所为，另外超导磁场对生物学的影响也值得期待。

当我们在实验室内获得了更强的磁场，就可以将一些传统的实验对象放在更强的磁场环境中进行观测，从而寻找新物理。超出寻常条件的极端实验环境总是能不断的给我们带来惊喜，当物理学家们不断提升加速器和对撞机的能量时，或许不会想到高能实验会带来那么多始料未及的新发现，并直接催生了标准模型；当昂内斯第一次将氦液化时，或许不会想到低温世界存在这么多丰富多彩的新现象；当我们将眼光投入到宇观和微观时，接二连三的新发现一次次刷新着我们的世界观；同样，当我们获得了更强的磁场之后，也获得了始料未及的新发现，那就是量子霍尔效应和分数量子霍尔效应。这是一种半导体中的二维电子气在低温强磁场状态下的量子效应，其量子化平台可作为电阻标准和精确测量精细结构常数。这种低维状态下的量子现象拓宽了人们的视野，将人们寻找新现象的视野引导至三维之外的维度，并证实二维状态下的量子统计为任意子的分数统计。如果一种现象首先通过实验观测到，那将是对理论强有力的引导，可以避免走太多的弯路。如果不是高能对撞机产生的大量数据和夸克禁闭、渐进自由的发现，量子色动力学及整个标准模型的建立几乎是不可想象的；同样，如果不是在低温强磁场状态下观测到量子霍尔效应，很难有人单纯从理论就可以预言这种现象，而实验一旦做出，相应的理论解释就容易了许多。

在现实中进一步提高磁场强度是困难的，但是大自然本身就是一个巨大的天然实验室，脉冲星的发现是天文学上的重大发现，脉冲星是高速旋转的中子星，是恒星演化到末期超新星爆发后的核心，由处于简并状态的中子组成，并由中子简并压抗衡万有引力，其密度在每立方厘米几千万吨到几十亿吨之间。由于中子有磁矩且密度惊人，因此中子星表面有极强的磁场，约有50亿特斯拉左右，大约为地磁场的100万亿倍，这为我们寻找强磁场环境中的新物理提供了契机，让我们有底气相信，在这种极端环境中可能能够找到现有理论难以解释的现象，从而找到新理论的突破口。与中子星相关的目前还难以解释的现象确实出现了，这是一种被称之为磁星的特殊中子星，它的磁场强度比普通中子星还要强1000倍，寻找磁星磁性的起源或许会有意想不到的新发现。

强磁场带给我们一个全新的实验环境，当我们把一个普通的实验装置置于强磁场环境时，可能会有意外的惊喜，这为许多新的研究领域打开了大门，为我们揭开了大幕的一角。