本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
磁感應現在已在數十種動物物種中得到充分證實。事實證明，追蹤地磁場——就是那個指向指南針的無形之物——在許多情況下對生命都很有用。非洲的裸鼴鼠利用其內部指南針，在漆黑的地下迷宮中導航。百慕大附近的龍蝦找到通往海底區域的路徑，在那裡它們聚集產卵。畫眉在秋季向南遷徙，在春季向北遷徙。蜜蜂知道回蜂巢的路。座頭鯨在開闊的海洋中一次遊數百公里，偏離最初設定的航線不超過一度。
然而，生物組織往往不會對磁場做出反應或受到磁場的影響。因此，長期以來，解釋動物如何感知這些磁場一直是感覺生物學的聖盃。現在看來至少有兩種合理的解釋。一種提出的機制是基於位於特殊細胞內的微觀氧化鐵顆粒；另一種是基於量子效應，其中某些化學反應——特別是可能涉及視網膜中一種名為隱花色素的蛋白質的反應——會根據相對於動物頭部指向北方的方向而減慢或加速。
這兩種機制都有令人著迷的證據來支援，但也都有反對者。要了解更多資訊，您必須閱讀我在2012年1月刊《大眾科學》上的新專題文章“內在羅盤”。
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但是，地球最初是如何產生磁場的？為什麼磁場或多或少地持續指向磁北？正如羅納德·梅里爾最近引人入勝的書籍《我們磁性的地球：地磁科學》中所解釋的那樣，自然界中產生相對永久磁場的方式基本上有兩種。一種是固體物體的磁化，例如條形磁鐵或某些動物細胞中發現的氧化鐵；另一種是所謂的發電機效應，其中電流產生磁場。
早期，研究人員意識到這一定是電流造成的。沒有已知的礦物或材料能夠在高於 1,000 攝氏度的溫度下保持永久磁化。但是地球的金屬核——地磁場的發源地——比這熱得多：據估計為 5,000 度，它與太陽表面一樣熱。
所以，就是發電機效應。而且我們的地球並不是太陽系中唯一被認為在其核心中擁有發電機的行星。木星、土星、天王星、海王星以及可能的水星，甚至是木星的一顆衛星木衛三也是如此。
然而，這種認識只是仍在進行中的一項長期研究的開始。一個困難是，我們只能測量地球表面或太空中的磁場。僅憑這些資料，即使在理論上也不可能重建深處磁力線的形狀。梅里爾指出，數學家將此稱為“非唯一性”問題——也稱為透過拿起並搖晃聖誕禮物（梅里爾告訴我們，這是他妻子過去常做的事情）而不是開啟盒子來猜測裡面是什麼的困難。
事實上，除了地球最豐富的元素是鐵這一事實之外，人們對地球的構成知之甚少。根據梅里爾的說法，1952 年，已故的哈佛大學地球物理學家弗朗西斯·伯奇在《地球物理研究雜誌》上發表的一篇關於地球核心成分的經典論文中寫道，
粗心的讀者應該注意，當普通語言應用於地球內部時，會發生向高壓形式的修改。以下是一些等價的例子
確定 -> 存疑
毫無疑問 -> 也許
確鑿的證據 -> 模糊的暗示
無可辯駁的論點 -> 微不足道的反對意見
純鐵 -> 所有元素的不確定混合物
梅里爾寫道：“儘管進行了大量出色的工作，但我們對地球核心成分的理解與半個多世紀前伯奇給出的理解驚人地相似。”
但是，梅里爾說，雖然仍有許多細節需要理清，但科學家們現在相信他們對地磁場背後（或下方）的物理原理有了大致的瞭解。當導體移動時，它會拖動磁場一起移動。但是，當導體不是剛性的，特別是當它是液體時（如地球外核的情況），會發生什麼？當液體的層相互滑動時，磁力線會被拉伸，結果是磁場本身被放大，但這會以流體的動能為代價。但是，只要運動繼續，這種現象就可以維持磁場，否則磁場會慢慢消散。
近年來，研究人員製作了地磁發電機的計算機模擬，並且至關重要的是，他們表明這種發電機將具有周期性的逆轉，這將解釋為什麼在漫長的歲月中，南北極會以看似隨機的時間間隔切換。
上一次這樣的逆轉似乎發生在 78 萬年前。下一次逆轉何時發生，任何人都無法猜測。在逆轉期間，磁場不會消失，而是會變弱，這可能會擾亂一些動物的遷徙模式，並讓太陽風破壞高層大氣臭氧層的一部分。這是 2012 年末日論者最喜歡的災難情景，但梅里爾向我們保證，逆轉發生得非常緩慢，歷時幾個世紀甚至幾千年，而且它們的影響可能並沒有那麼災難性。
這是加州大學聖克魯茲分校的加里·格拉茨邁爾和他的同事們基於超級計算機對地磁發電機的模擬
https://www.youtube.com/watch?v=oIdW-ngRZMs
[有關此內容的更多資訊，請檢視《大眾科學》文章“探測地磁發電機”，作者：Gary A. Glatzmaier 和 Peter Olson，2005 年 4 月（需要訂閱），以及 Glatzmaier 的網站。]
科學家們還在嘗試在實驗室中構建地球核心的小型版本。在馬里蘭大學進行的一項此類實驗中，丹尼爾·拉斯羅普和他的合作者建造了一個直徑為三米（十英尺）的旋轉球體，並將其裝滿了液態鈉。他們希望這個球體能夠幫助他們理解核心中的混沌運動如何導致地磁場的產生。
拉斯羅普的球體在運轉時，以每秒四轉的速度旋轉，看起來像一個漫威漫畫中的超級反派
https://www.youtube.com/watch?v=B75C0o9AtwU
（關於這些努力的更多資訊，請訪問我的朋友 查爾斯·崔的部落格。）
在他的書中，梅里爾誠實而引人入勝地描述了科學過程、其不確定性及其文化動態。科學通常被描繪成聰明創新者與站在歷史錯誤一方的保守派之間的鬥爭，但實際上，在公開問題解決之前，辯論雙方通常都會提出可靠的科學論據。一個很好的例子是板塊構造論。這是一個非同尋常的主張，因此，正如梅里爾所稱，在 20 世紀 60 年代初，“漂移論者”能夠說服懷疑論者——或者至少是他們中的大多數人——之前，確實需要非同尋常的證據。
梅里爾在敘述中穿插了有趣的軼事和個人細節，這常常讓我們想了解更多。（在不同的時間，我們發現我們的英雄科學家吊在優勝美地攀巖牆上的一根繩子上，或者在沉船旁潛水，或者在一艘被貼上標籤以追蹤其遷徙的白鯊包圍的船上。）
然而，他經常回到教授模式。這本書的一個方面，不幸的是，可能會讓一些讀者望而卻步，是第一章就提出的“先吃蔬菜”的建議：讀者必須先費力地閱讀關於磁化物理學的技術細節，然後才能進入有趣的部分。我懷疑有些讀者從未做到這一點。
我發現這本書最好的是它深入探討了這些不同學科的科學家之間的摩擦——以及研究人員經常（或應該）從與校園其他建築的人員合作中學到的謙虛的教訓。梅里爾用一章專門介紹的地磁學和磁感應是需要化學家、物理學家、地球物理學家、數學家和生物學家等廣泛研究人員的專業知識才能解決的問題。
這種摩擦在開爾文勳爵的案例中得到了突出的展示，他在 1862 年計算出地球的年齡不可能超過 4 億年，可能只有 1 億年。梅里爾寫道，開爾文嘲笑地質學家發現的與之相反的證據，他認為地質學家沒有能力做數學。這是一個例子，說明了一些物理學家對他們認為不太“基礎”的科學表現出的傲慢。（原子核的發現者歐內斯特·盧瑟福臭名昭著地說，所有科學都是物理學——其餘的只是集郵。）
反過來，梅里爾寫道，地球物理學家有時可能會嘲笑生物學是一門“軟”科學，但那些嘗試真正學習過一些生物學——更不用說在其中進行研究——的人更清楚。他特別指出，地球物理學家過去低估了確定動物磁感應背後物理機制的問題。
（梅里爾在談到學術界之間的文化差異時，還對數學家發表了一番非常尖銳的評論。儘管過去一個世紀左右科學日益極端專業化在大多數知識分支中都很常見，因此，例如，核物理學家和固態物理學家只能在一定程度上進行交流，但梅里爾說，數學方面的情況要糟糕得多：當有人在數學系爭取終身教職時，他說，系裡的大多數教師對候選人的工作知之甚少，因此他們經常依賴其他大學權威人士的建議。）
最後，我想引用書中我最喜歡的一個軼事，關於澳大利亞國立大學的著名地球化學家特德·林伍德和“不太出名”的科學家雷·克勞福德。克勞福德喜歡收集他訪問過的地方的文具，並且擅長惡作劇。
嚴謹的林伍德從 NASA 借到了一些月球岩石樣本進行研究。NASA 不信任任何人來保管其珍貴的戰利品，並要求在處理和儲存它們時格外小心。梅里爾寫道，有一天，林伍德收到了一封信，信是用 NASA 的信紙列印的。“這封信告知林伍德，NASA 資助了心理學家來研究壓力對研究月球樣本的科學家的影響。林伍德是否願意每週向美國駐堪培拉大使館傳送一小瓶尿液來協助這項研究？林伍德同意了這一要求幾個星期，之後大使館的某個人才鼓起勇氣給他打電話，詢問教授想如何處理這些尿液樣本。”
《我們磁性的地球：地磁科學》，作者：羅納德·T·梅里爾。芝加哥大學出版社，2010 年。
延伸閱讀
探測地磁發電機，作者：加里·A·格拉茨邁爾和彼得·奧爾森。《大眾科學》，2005 年 4 月。
科學難以實現？重建地球發電機，查爾斯·崔的部落格文章。
內在羅盤，作者：達維德·卡斯特爾韋基。《大眾科學》，2012 年 1 月。