量子力學會動搖我們對地球磁場認識？

地球的磁場確實不僅僅作用於我們的指南針，而且偶爾也會引起擔憂。這也是在這個星球上有生命的原因之一 ， 它保護我們免受有害的太陽輻射，否則可能會使我們的臭氧層消失等等。

圖片來源：美國國家航空航天局戈達德/Flickr

但是磁場科學家還不太了解。最重要的是，他們無法弄清楚為什麼這麼強。一個團隊決定仔細觀察被認為影響該領域的地球內各個元素的作用。事實證明，鎳在最小尺度上的行為方式可能有助於解釋磁場的強度，而現在的一些模型需要重新考慮。了解地球的磁場對於依賴於其的一切都有影響，包括需要在地下鑽探的活動。

維克茨堡大學理論物理與天體物理研究所研究員喬治奧·桑戈奧尼尼（Giorgio Sangiovanni）說：「這是放置在地球物理研究領域的一個新思路，鎳被忽略來解釋地球動力學，創造磁場的機制。

在最基本的層面上，地球可能會從外核的溫度梯度中獲得磁場，從而使金屬對流，這或多或少是水在一壺沸水中移動的方式。金屬可以進行導電。因此，移動金屬與地球旋轉相結合可能會產生指向極點的電流管。電流環通過它們產生磁場，所以整個地球看起來像磁鐵，磁極與管的頂部和底部對齊。

人們一直在談論的問題是，有一種方法可以在核心周圍傳導熱量，傳導，這不需要金屬在物理上移動。在這種情況下，能量在原子之間相互碰撞時就會傳遞，就像熱在你沸騰的水的把手上往下流動一樣。但是，如果外核通過傳導失去太多的熱量，那麼就沒有足夠的能量來驅動對流產生磁場。科學家們認為情況可能是這樣的，他們正在尋找能產生磁場的額外能量來源。

Sangiovanni和他的同事們決定對內核中的金屬進行計算，看看能否找到一些缺失的能量。但是不像外核其主要是鐵，內核是20％的鎳。該團隊決定研究鎳和鐵在地球固體核中的特定量子力學性能如何影響磁場。

這些屬性根本不足以需要你彎腰向後想像薛定諤的貓。他們描述了鎳和鐵原子在高溫下的結構，電子在這些原子的集合中是如何相互作用的，以及這些元素在高壓下的行為變化。事實證明，鎳在固體中的形狀減慢了電子的速度。之前發表在《自然通訊》上的論文稱，電子也相互作用，相互散射，防止鎳成為熱的良導體。同時，鐵在內部核心的溫度和壓力下具有很高的導電性。

在鎳原子中，較低能量的藍色位置可能導致較慢的電子和較低的電導率（Hausoel et al, Nat Comm (2017)）

簡而言之，研究人員認為鎳可以降低核心的整體電導率，使其保留額外的能量驅動對流。這種新的見解可能有足夠大的影響，即地球磁場的模型需要重新考慮。

Sangiovanni表示，他所說的其他人都很驚訝，很多人都在看硅如何更輕的元素影響了地球核心的物理學。「我會說很長一段時間的人們已經討論了鎳在地球核心中的可能存在，」倫敦大學學院物理學教授達里奧·阿爾菲（DarioAlfè）告訴Gizmodo，但是沒有人真正討論過Giorgio的論文點出來，鎳對核心電導率的影響。

所有這一切，只是一絲安慰，事實上如果你不認為你了解地球的磁場，科學家們也不完全確定它是如何工作的。

作者：Ryan F. Mandelbaum

編譯：光量子

審校：博科園

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