摘要：宇宙学研究迎来重要突破。科学家通过数十万次计算机模拟首次精确确定了宇宙最初磁场的强度，发现这些在大爆炸后不久形成的原始磁场比此前预期的要微弱得多，其磁能强度仅相当于人类大脑神经元电活动产生的磁场。这一发现不仅重新定义了我们对宇宙早期状态的理解，也为探索宇宙大尺

信息来源：https://www.livescience.com/space/cosmology/the-universes-first-magnetic-fields-were-comparable-to-the-human-brain-and-still-linger-within-the-cosmic-web

宇宙学研究迎来重要突破。科学家通过数十万次计算机模拟首次精确确定了宇宙最初磁场的强度，发现这些在大爆炸后不久形成的原始磁场比此前预期的要微弱得多，其磁能强度仅相当于人类大脑神经元电活动产生的磁场。这一发现不仅重新定义了我们对宇宙早期状态的理解，也为探索宇宙大尺度结构的形成提供了关键线索。

发表在《物理评论快报》上的这项研究显示，原始磁场的强度上限仅为0.00000000002高斯，比普通冰箱贴磁场弱数十亿倍。尽管如此微弱，这些磁场的残留至今仍存在于遍布已知宇宙的"宇宙网"结构中，为研究宇宙演化提供了珍贵的化石记录。

宇宙网遍布已知宇宙，其中可能蕴含着大爆炸后产生的第一批磁场的痕迹。利用计算机模拟，研究人员现在相信他们可以预测这些原始磁场的强度。 （图片来源：F. Vazza/D. Wittor/J. West）

磁力作为自然界的基本力之一，在大爆炸后的早期宇宙中就已存在。当时婴儿宇宙充满了相互碰撞的带电粒子，这些粒子的运动产生了最初的磁场。长期以来，天体物理学家一直推测这些原始磁场比现代宇宙中恒星、黑洞和行星产生的磁场要弱得多，但具体的数量级一直是个谜。

计算机模拟揭示宇宙磁场演化

研究团队采用了前所未有的计算规模来解决这一问题。他们进行了数十万次高精度计算机模拟，模拟了从大爆炸初期到现在约138亿年的宇宙演化过程。这些模拟不仅考虑了磁场的产生和演化，还包括了重力、流体动力学和等离子体物理等多种物理过程的复杂相互作用。

模拟结果表明，原始磁场虽然极其微弱，但具有重要的宇宙学意义。这些磁场在宇宙演化过程中逐渐被放大，最终在星系、星系团等大尺度结构的形成中发挥了重要作用。更重要的是，部分原始磁场至今仍保留在宇宙网的纤维状结构中，成为研究早期宇宙的重要探针。

研究人员才刚刚开始绘制宇宙之网。这段动画展示了如果以超光速穿越宇宙，宇宙将会是什么样子。（图片来源：NASA/NCSA 伊利诺伊大学；可视化由太空望远镜科学研究所的 Frank Summers 完成；模拟由哈佛大学的 Martin White 和 Lars Hernquist 完成）

宇宙网是一个令人惊叹的大尺度结构，它像蜘蛛网一样遍布整个可观测宇宙。这个结构由暗物质纤维组成，连接着各个星系和星系团，而在这些纤维中，科学家们发现了原始磁场的痕迹。这些发现为理解宇宙结构的形成和演化提供了全新的视角。

与人脑磁场的有趣对比为这一发现增添了引人注目的维度。人类大脑中神经元的电活动会产生微弱的磁场，这些磁场可以通过脑磁图技术检测到。令人惊讶的是，宇宙最初的磁场强度竟然与这种生物磁场处于同一数量级，这种巧合凸显了自然界中磁现象的普遍性和多样性。

原始磁场的宇宙学价值

这一发现对宇宙学理论具有深远影响。原始磁场的存在和性质直接关系到我们对宇宙早期状态的理解，特别是大爆炸后最初几秒钟内发生的物理过程。这些磁场可能影响了宇宙微波背景辐射的特性，也可能在宇宙再电离过程中发挥了作用。

磁场在宇宙结构形成中的作用也不容忽视。虽然原始磁场本身很弱，但它们可以作为种子，在后续的宇宙演化过程中被各种天体物理过程放大。例如，当气体坍缩形成第一代恒星时，磁场会被压缩并增强；在星系合并过程中，湍流会进一步放大磁场强度。

研究还表明，这些微弱的原始磁场可能对暗物质的分布产生了微妙但重要的影响。虽然暗物质本身不带电荷，但它与普通物质的引力相互作用使得磁场能够间接影响大尺度结构的形成模式。这种影响虽然微小，但在宇宙这样的巨大尺度上，微小的差异可能导致显著的累积效应。

观测验证与未来展望

宇宙网络连接着已知宇宙中的所有星系。但关于这个神秘网络，我们仍有许多未完全了解的地方。（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））

理论预测需要观测证据的支撑。目前，直接观测原始磁场极其困难，主要是因为它们的信号被后来形成的天体磁场所掩盖。然而，科学家们正在开发新的观测技术和策略来寻找这些古老磁场的痕迹。

射电天文学在这方面显示出巨大潜力。通过分析来自遥远星系的射电信号在传播过程中的偏振变化，天文学家可以推断出沿传播路径上磁场的存在和强度。平方公里阵列等下一代射电望远镜将具备前所未有的灵敏度，有望直接探测到宇宙网中的微弱磁场信号。

宇宙微波背景辐射的精密测量也提供了另一个研究途径。原始磁场会在宇宙微波背景辐射中留下特征性的印记，包括温度起伏和偏振模式的特定统计特征。未来的宇宙学任务将能够以更高的精度测量这些信号，从而验证理论预测。

引力波天文学的兴起也为研究原始磁场开辟了新的可能性。磁场可能影响早期宇宙中引力波的传播，在引力波信号中留下可检测的特征。随着引力波探测器灵敏度的不断提高，这种方法可能成为研究原始磁场的重要工具。

数值模拟技术的进步也将推动这一领域的发展。随着计算能力的提升，科学家将能够进行更高分辨率、更长时间尺度的宇宙学模拟，更准确地预测原始磁场的演化和观测特征。机器学习等新兴技术也被应用到模拟数据的分析中，帮助识别磁场信号的微弱特征。

跨学科研究的新契机

原始磁场研究的意义超越了纯粹的天体物理学范畴。这一发现为多个学科领域的交叉研究提供了新的契机。等离子体物理学家可以通过研究宇宙尺度的磁场演化来验证和改进等离子体理论；粒子物理学家则可能从中找到超越标准模型的新物理线索。

凝聚态物理学中的磁性研究也可能从宇宙磁场研究中获得启发。虽然研究对象的尺度相差悬殊，但磁场的基本物理原理是相通的。宇宙尺度上磁场的演化机制可能为理解材料中的磁性现象提供新的理论框架。

这项研究成果的发布标志着人类对宇宙磁场认识的重要进步。从大爆炸后的混沌状态到今天复杂有序的宇宙结构，磁场始终扮演着重要而神秘的角色。通过精确确定原始磁场的强度，科学家们为解开宇宙演化之谜又迈出了关键的一步。

来源：人工智能学家