磁場可以轉化為能量？NASA最新研究成果，磁重聯現象成為焦點話題

2020-10-18 科學求知之者

根據愛因斯坦的質能方程，我們知道，物質和能量是可以互相轉化的。在一定的條件下，物質可以轉化為能量，這個過程遵循著E=m·c^2。這個過程，如今已經被科學家所接受，甚至是理所當然的常識了。

不過，近些年來，科學家發現了一種更神秘的現象，可以讓磁場「湮滅」，轉化為其他形式的能量。這個神秘的現象，就是磁重聯現象。那麼，磁場究竟是怎樣」湮滅「的呢？磁重聯究竟是什麼現象呢？

不尋常的耀斑

2003年10月底，全世界的科學家們嚴陣以待，準備接受來自太陽的挑戰。這段期間，人類有記錄以來歷史上最劇烈的一次太陽耀斑，就這樣爆發了。

耀斑，是太陽活動的一種，指的是太陽表面局部區域突然釋放大量能量的爆發現象。在這個過程中，大量的電磁輻射伴隨著各種微觀粒子，射到太空中，波及範圍極遠，對人類的電子設備會造成巨大的影響甚至破壞。

為了保護還在太空中的太空人，地面人員命令他們躲到國際空間站專門防輻射的區域。可是，還暴露在太空的衛星就倒黴了，即使採取了暫時關閉的措施，但很多衛星仍然難逃永久性破壞的命運。

對於地球上的人們來說，有了地磁場的保護，還算是相對安全。可是，瑞士南部仍然因此而導致電力系統出現問題，5萬戶居民因此斷電。

導致這個結果的，正是磁重聯現象。

什麼是磁重聯

所謂磁重聯現象，其實看名字就明白了，就是磁場、或者說磁力線發生斷裂，然後重新連接的過程。

這個過程聽起來就那麼詭異——場還能斷？沒錯，就是這麼詭異。

根據中科院科學家的介紹，磁重聯過程可以改變磁場的拓撲形態，釋放磁場能量，使得等離子體能量急劇升高，並產生高速的粒子噴流，從而使行星磁層變得不穩定，觸發磁層亞暴以及磁暴，導致極光等現象的爆發。

這個過程，主要發生在磁層頂區域。磁層頂區域在哪呢？就是行星磁層和太陽風的交界處，這裡就叫磁層頂。也就是說，任何有磁場的行星都有磁層頂區域，也就可以發生磁重聯現象。比如下圖，就是當初卡西尼號探測器捕捉到的土星磁重聯現象。

磁重聯和太陽活動的關係

當然，磁重聯也不是只有磁層頂可以發生。目前來說，科學家認為太陽內部也會發生磁重聯現象，由於重聯區磁場與等離子體的解耦效應，磁重聯會表現為反向平行磁力線先相互靠近「斷開」再「重新連接」的現象。這其中磁力線的斷開過程，也可以看作是磁力線之間的湮滅，因此磁重聯現象又被稱作磁場湮滅。

重新連接後，富餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等），釋放出去。這些能量衝破太陽大氣，就形成了日冕、耀斑等各種太陽活動。

當這些太陽活動所輻射的粒子以接近光速的速度來到行星的磁層頂時，就會形成行星的磁重聯。其實，磁重聯的過程也可以簡單地來理解，比如NASA做的這張動圖：

在地球上，我們如何運動可能更多的是取決於重力。而在地球上空，這些微觀帶電粒子的運動方式，則要由磁重聯現象說了算。

磁層頂發生的磁重聯現象，也不是只會導致不好的結果。科學家認為，地球絕美的景觀——極光，也很有可能是磁重聯導致的。

而當我們觀看極光的時候，卻很少有人知道，這是地球磁場為了保護地表生物而與太陽風進行的搏鬥。正是它與太陽風產生的磁重聯，讓太陽輻射的粒子無法傷害生物。極光，就是這場搏鬥過程中的「火花」，也是地球給生物的溫柔。

相關探測器

由於磁重聯是個相對比較新的研究領域，所以世界上的相關探測器也並不很多。最著名的一個，就是NASA的磁層多尺度任務（Magnetospheric Multiscale Mission，簡稱MMS）。

2015年，NASA在佛羅裡達的卡納維拉爾角空軍基地發射了四顆衛星，這些衛星就是執行MMS任務的主要武器。據介紹，這4顆直徑3米、高1米的八角形小衛星（天線在太空中展開，其長度可達60米），攜帶著相同的等離子分析儀、高能粒子探測儀、磁力計、電場儀器以及防幹擾設備，以4.5英裡的間距分布，收集相關信息，提供給地面的科學家。

剛發射的時候，四顆衛星在地球上空4.35萬英裡上空盤旋，後來由GPS導航控制調整到11.63萬英裡，約合18.7萬公裡，幾乎是地月距離的一半了，它們也是目前世界上飛得最高的繞地球人造衛星。

我國科學家也有對磁重聯現象進行研究，不過據我了解，還沒有像NASA的MMS這樣的設備。同時，和MMS專注於對地球磁場的研究不同，我國科學家對太陽內部的磁重聯現象研究得比較多（根據我所了解的信息）。

未來研究

至少從目前來看，MMS任務還是人類探索磁重聯的最重要渠道。儘管很多科學家已經開始用計算機進行模擬，也有些科學家觀測其他天體的磁重聯現象，但都沒有從太空中看來得直接。不論是相關研究人員，或者選擇該方向研究的學生，都以參考MMS的數據為主。

從50多年前有一點磁重聯概念的端倪，到上世紀90年代科學家初窺其門徑，再到現在的MMS任務，人類已經越來越重視磁重聯現象了。它不僅是解釋太陽活動的最佳候選者，也是地球保護人類和地表電子設備免受太陽輻射傷害的關鍵，因此，磁重聯的研究對於人類來說至關重要。

可是，不得不承認，人類對於磁重聯現象的了解還非常有限，比如磁場能量究竟是怎樣轉化成其他形式能量的，以及其他很多問題，目前仍是未解之謎。從事該研究的科學家們，還有相當長的一段路要走。

好在，MMS的工作狀態還很好，原本只有2年計劃壽命的四顆衛星，如今已經多工作了3年。而據NASA的科學家介紹，只要控制得好，它們的能源足夠支持它們工作20年。

同時，隨著其他國家陸續加入該領域的研究，相信磁重聯現象的謎題，早晚會被揭開。屆時，不僅電磁學可以大幅發展，而且人類也可以找到一個有效的辦法，再也不用擔心太陽輻射對我們的影響了。而且，由於磁重聯現象也會出現在黑洞附近，到時候人類可以通過新的方式，來探測黑洞的秘密。

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