宇宙中的电场、磁场与引力场

由于磁力线（magnetic force line）在宇宙中扮演了重要角色，并且在电影《星际穿越》中也很重要，所以在我们进入电影的具体科学内容前，先来谈谈磁场。

当你试着把两块磁铁的北极对到一起时，它们的磁力线就会相互排斥。虽然在两块磁铁之间看不到什么，但是你能感觉到它们之间的斥力。磁悬浮就是利用了这个原理，它可以使被磁化了的物体，甚至是一列火车，都悬浮在空中（见图1-7）。

图1-7 世界上第一列商用磁悬浮列车出现于中国上海

地球也有两个磁极：一个南磁极，一个北磁极。磁力线从南磁极出发，绕过地球进入北磁极（见图1-8）。这些磁力线会影响罗盘的指针，就像它们会影响纸片上的铁屑一样，使得指针尽可能地指向磁力线的方向。这就是罗盘运作的原理。

图1-8 地球的磁力线

地球的磁力线能够通过北极光显现（见图1-9）。从太阳发出的质子，在经过地球时，被地球磁场捕获，并沿着地球磁场穿过大气层。这些质子与氧原子、氮原子相互碰撞，并使之发出荧光，这就是北极光。

图1-9 挪威哈默弗斯特天空中的北极光

中子星拥有非常强的磁场，它们的磁力线与地球的很像，并形成了类似于甜甜圈的形状。高速运动的粒子会被中子星的磁场捕获。它们发出光，显现出磁力线，并产生了如图1-10所示的蓝色光环。有些粒子被从磁场的两极喷射出来，形成了两束强烈的喷流。这些喷流中有各种类型的辐射：伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和射电辐射（radio waves）。由于星体本身的自转，它的喷流快速地划过了中子星上方的天空，像探照灯一样。每当这个喷流扫过地球所在的天区时，天文学家就可以观测到一个脉冲信号，因此天文学家给它们起了另外一个名字：脉冲星（pulsar）。

图1-10 中子星的艺术图像——甜甜圈状的磁场及其喷流

除了磁场外，宇宙中还存在着一些其他类型的场（即其他类型力线的总和）。其中的一个例子是电场（电力线的组合，导线里的电流就是被电场驱动的）；另外一个例子是引力场（引力线的组合，我们总是被引力拉回地球表面）。

图1-11 地球的引力线

地球的引力线沿着径向指向地球，并且它们总是把其他物体拉回地球表面。引力的强度正比于引力线的密度（通过某一固定截面内引力线的数量）。因为引力线都是指向地球内部的，所以它们通过的截面是逐渐减小的（见图1-11中由红点围成的圈），因此引力线的密度越向下越大。也就是说，地球的引力沿着引力线的方向增大，并且以1/（红点围成的圈的面积）的速度变化。

由于这些圈的面积正比于它们到地心距离r的平方，所以地球的引力以1/r²的量级增强。这就是牛顿的平方反比引力定律（inverse square law）——一个基础物理定律。而基础物理定律正是电影《星际穿越》中布兰德教授的探寻激情所在，也是其中科学现象的基础。我们在之后的章节中将会谈到。