前 言 与宇宙嬉戏

当绿色的光开始在天空中舞动时，夜已深。我在帆布帐篷里，努力想要在北极夏末的寒冷中入睡，却又担心饥肠辘辘的北极熊。同伴们的叫喊声吵醒了我，想到即将直面夜晚的寒冷空气，我一边骂骂咧咧，一边穿上雪裤，靴子和保暖外套。

北极光正穿过黑色的天空，绿色的亮光伴着星光霓虹般地闪动，近得好像一件光的幕帘正笼罩着我们。它们忽而黯淡，让我们屏住呼吸；忽而又倏然变亮，弥漫整个天空。夜空与这绿色的超凡的极光一起翻腾，仿佛它们不只握住了我们的星球，也握住了时间。

看着霓虹灯般的北极光，我发现自己比之前更接近那些指引我理解这个星球磁力的学者们了。我露营的地方位于加拿大北极地区的威廉王岛，距离布西亚半岛约100英里，英国探险家詹姆斯·克拉克·罗斯在1831年正是在这附近首次确定了地球的磁南极。这个发现也是19世纪末磁学十字军运动的一部分。这是到那时为止世界上最持久、最充满激情的科学运动。那时，各国的实力取决于海军实力和海洋贸易，而这两项又都取决于所用罗盘的优劣。当然，罗盘导航也是很有技巧的。最终确定你在海上的位置还需要根据指南针的指向与真实的地理北极间的夹角进行调整。当时的世界，科学界齐心协力想要寻找一个让水手能够准确定位自己精确坐标的公式。要找到这个公式就需要更加了解拉动罗盘的神秘力量，而要了解神秘力量就需要读懂来自地球顶端和底部的信息，在这两处此种神秘力量表现得最为明显。

威廉王岛还萦绕着人类探索地球磁场的伤痛回忆。这是英国探险家约翰·富兰克林爵士在19世纪40年代与他两艘船上128名船员一起消失的地方。他们曾试图开辟西北航道，那是欧洲到亚洲，穿过北美大陆北部的短距离航线，能将东方的商品与欧洲的市场连接起来。同时富兰克林也是磁学十字军运动的一员。他的船只，“幽冥”号和“恐怖”号，携带了大量设备在北极建立了一个当时最先进的地磁台站，这是当时世界各地正在建立的数十个地磁台站之一，彼时科学家们试图通过这些地磁台站解读出地磁的奥秘。富兰克林就曾亲自在我们现在所知的塔斯马尼亚岛，这座位于澳大利亚大陆南部海岸的小岛上，精心布局，建立了一个地磁台站。

但当船队陷入了北极浮冰，富兰克林等人不幸死去后，幸存者们开始向他们认为安全的地方逃离。他们弃船，在指南针的指引下带着皮革鞋和军蓝色大衣登上了冰冻的岛屿，他们甚至不得不吃人肉求生，但还是全都死了。他们的遗骸至今也很少被找到。这是北极探险史上最大的一次灾难。居住在威廉王岛上的因纽特人认为，直至今日，水手们的鬼魂依然留在这个地方。他们在水手遗物中发现过一个黄铜指南针，这个指南针目前被英格兰格林威治的国家海事博物馆所收藏。即使在最后的难挨的时光里，这些人也试图通过指南针读出他们的位置，那是他们回家的最后希望。

富兰克林、罗斯还有其他维多利亚时代的探险家多年来一直在北极地区穿行，毋庸置疑他们曾经看见过北极光。但19世纪的他们是无法知晓指南针、磁极和极光是如何关联一起的。而今，我们搞清了它们彼此之间的联系。地球是一块巨大的磁铁，有北极和南极。延伸的磁场线从地磁北极处离开地球表面，绕着地球向北，在大气层外它们与太阳和银河系的磁场相互作用，然后在地磁南极重新进入地球，并最终形成一个波动的闭环。

磁场产生于地球隐秘的内部，灼热的固态的金属内核被液态的金属外核所包围。剧烈运动的地球诞生时残存的热量就是地球磁场的奥秘。地球的核心已经进行了数十亿年的演化，热量从内到外通过对流的方式进行传导。在地球内部尚未凝固的部分，对流的熔融金属产生电流，然后这些电流产生了地球的磁场。地球磁场宛若凤凰涅槃，不断地经历着重生和毁灭。地球的磁场能够延伸到数千英里之外的太空，为我们的星球提供一套巨大的，可以抵御不可见的宇宙射线和高能粒子的防御系统。如果没有这套防御系统，来自宇宙的高能射线就会撕裂地球的大气层并损害生物的细胞和组织。可以参考的是我们的姊妹星球火星在数十亿年前因为内建磁场的消失，失去了大气、水以及可能存在过生命。

带有磁化针的罗盘响应地球的磁场，那极光呢？对于人类来说，磁场是看不见的，不可察觉的。我们能看到地磁场的影响，其实是通过罗盘针的移动间接得知。但是许多物种能切实感知磁场，一些科学家称之为磁性第六感，就像视觉或触觉，只是更难以理解也更为复杂。从细菌到蜘蛛到鱿鱼到海龟再到几乎所有脊椎生物都会以某种方式利用磁场来导航；这是它们找到食物、伴侣、家园的一种方式。此外，当涉及感知磁力时，鸟类有属于自己的一类方式。一项研究发现，它们可以睁开眼睛看到磁场，就像我们看到光线一样。生物学家认为人类曾经也有能力像其他脊椎动物一样感知磁场。这种残存的能力被编织到我们的基因构成中，现处于休眠状态，但大多数情况下，我们不知道这个隐藏的力场对我们的生活和世界产生了影响。

极光是个例外。它们通常出现在行星顶部和底部周围的巨大椭圆形环中。偶尔它们会出现在更接近赤道的地方。它们是磁性短暂的可见效应，是外太空中由太阳朝我们咆哮着喷发的等离子体造成的暴力产物。等离子体，也称为太阳风，具有自己的磁场，当它以某种方式被引导时，它可以撕开地球的磁场。太阳风沿着地球磁场的环路涌入，将高速运动的，高能量的原子粒子注入极地区域，在那里它们撞击地球上层大气中的氧原子和氮原子。随之，太阳风也把来势汹汹的能量传递给氧原子和氮原子，激发它们。当被激发的原子回到正常状态时，它们会释放出额外的能量，产生光和颜色。我看到的绿色北极光正是受激发的氧原子在天空中嬉戏，也是地球自身磁场的展现。此时仰望天空就好像看到我们这个星球内部力量斗争的投射。

几千年来，世人都在努力理解磁场的含义。他们望向天穹，不是因为他们认为极光或天体可以提供关于磁力的线索，而是因为他们认为天穹是地球的操控者。如果他们能足够仔细观察星星，就能够了如指掌。通过实验和乍现的灵感，以及最后的数学和理论物理学，他们费尽周折建立了对我们今天所具有的磁性的概念性理解。它非常抽象，非常有创意，有一点点不完美，但很强大。

它还有启示性。它告诉我们一个令人惊讶的消息，我们需要密切关注过去被称为我们星球磁性灵魂的现象：地球的磁力正在移动中。这种力是古怪的，它的两极也是如此。最终，地球内部这股隐秘的力量会变得如此猛烈，甚至是颠覆性的，以至于它们将迫使两极转换位置。我们知道这一点，因为它在这个星球的历史上曾经发生过数百次。最后一次是78万年前，我们物种尚未出现在这个星球上。但是一系列的极性翻转已经留下了痕迹，这些痕迹隐藏在组成地壳外壳的板块的接缝处，在一些盖在它们上面的岩石和熔岩上。当磁极再次翻转时，我们称之为北极的那个地方将移到南极，南极将变为北极。当这种情况发生时，保护我们星球的磁性会衰减到其通常活力的十分之一，其结果将影响我们每个人甚至我们的文明。举个可以参考的例子，通常只有在高纬度地区看到的极光很可能在赤道附近可见，因为太阳风会把我们的大气层更加残酷地撕裂。当这种情况发生时，很可能意味着灾难。

即使是现在，我们地球的磁场也是在地核中形成。与此同时，我们的地球也在不断地受到太阳磁场的影响，而这正是我们这个星系的磁场大环境。太阳系中的大多数行星都有自己的磁场，它们都与宇宙的电磁场进行着相互作用，这个电磁场就像是流体，无处不在。由于波粒二象性，它们有时候在特定的场合表现为粒子，例如电子和夸克，并进一步形成原子。为了理解这一切，我专程采访了加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔。理论物理学家是科学的诗人，他们可以看到物质的微小内容，想象出宇宙的东西是怎样被创造出来的。我问他场和粒子是在宇宙诞生的哪个阶段出现的。他回答说，场和粒子不是在某个时间点出现的，它们一直存在，是构成宇宙的基本要素。

例如，当你尝试将一个条形磁铁的北极对准另一个条形磁铁的南极时，它们会相互吸引到一起。但是如果你尝试将两个北极放在一起，无论你怎么使劲，它们都是会相互排斥的。表面上看这两块磁铁之间什么也没有，但事实上，宇宙中充满着强大电磁力的作用。无论我们所处的星球是否产生磁场，这种力一直在那儿。当你在摆弄磁铁时，你便摆弄了宇宙之力。

为了完成这本书的写作，我还深入去了解了化学世界。其中一个引路人是我的儿子尼克·米歇尔，他当时正在多伦多大学学习有机化学。他和我一起坐下来，耐心地向我解释化学家理解原子和分子的内在逻辑。作为一个拉丁文学者，我发现自己竟然正在阅读化学、物理和生物学的教科书。我渴望了解这个星球巨大的磁场，这促使我前往欧洲和北美的几所大学，去寻求世界顶尖科学家的解释。他们中有的是粒子物理学家，研究构成原子的基本单位；有的是天体物理学家，研究行星和恒星的运行，包括太阳的运行；还有的是地球物理学家，他们渴望了解我们的星球现在是如何运作的，曾经是如何运作的，以及未来将如何运作。他们中的许多人似乎可以直接在家中通过连接云端的超级计算机，用复杂的数值模拟来剖析地壳外的每一块岩石，并借此解析其中的奥秘。

他们带我回顾了早期的形而上学，带我回到了科学、魔术和宗教是同一概念的时代。在人类研究磁学的大部分时间里，这都是一项危险的工作，这项工作会威胁主导社会的神学思想。旋转的磁铁，在历史上很多时候会被认为是异端，因为它并没有用《圣经》所言来描述地球。

现代科学家帮助我了解了中世纪的磁学研究，文艺复兴时期对电的探索以及维多利亚时代的科学运动。这些时代的磁学探险家都有他们自己的哲学，并为他们发现的现象提出了新的解释。每个人都试图用语言解释他们的发现，通常是用隐喻，有时还会自己创造一些表述。例如，描述磁铁的两极就是借用行星在天空中绕轴运动的术语。它是早期天文学术语，但它今天仍然在使用。其他概念比如顺时针和逆时针来自于钟表业的术语，还有借用生活术语的表示方向的上和下，以及经典物理学和天文学中出现的轨道和旋转。这套描述体系似乎有点混乱。但事实上，即使今天用量子物理中轨道、场和叠加态的术语来描述世界，也无法做到完全准确地描述这门学科想要解释的东西，正如卡罗尔所指出的那样。

这意味着表述磁学的语言随着时间的推移在不断变化，并将继续发展。这也意味着科学的任何一个分支，比如化学，它都和另外一个学科，比如理论物理学有着不一样的描述体系。本书就是将这些想法从不同领域的科学术语转化为了通俗易懂的语言。希望这本书能够为您带来它独到的益处。