本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
磁感应现在已在数十种动物物种中得到充分证实。事实证明，追踪地磁场——就是那个指向指南针的无形之物——在许多情况下对生命都很有用。非洲的裸鼹鼠利用其内部指南针，在漆黑的地下迷宫中导航。百慕大附近的龙虾找到通往海底区域的路径，在那里它们聚集产卵。画眉在秋季向南迁徙，在春季向北迁徙。蜜蜂知道回蜂巢的路。座头鲸在开阔的海洋中一次游数百公里，偏离最初设定的航线不超过一度。
然而，生物组织往往不会对磁场做出反应或受到磁场的影响。因此，长期以来，解释动物如何感知这些磁场一直是感觉生物学的圣杯。现在看来至少有两种合理的解释。一种提出的机制是基于位于特殊细胞内的微观氧化铁颗粒；另一种是基于量子效应，其中某些化学反应——特别是可能涉及视网膜中一种名为隐花色素的蛋白质的反应——会根据相对于动物头部指向北方的方向而减慢或加速。
这两种机制都有令人着迷的证据来支持，但也都有反对者。要了解更多信息，您必须阅读我在2012年1月刊《大众科学》上的新专题文章“内在罗盘”。
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但是，地球最初是如何产生磁场的？为什么磁场或多或少地持续指向磁北？正如罗纳德·梅里尔最近引人入胜的书籍《我们磁性的地球：地磁科学》中所解释的那样，自然界中产生相对永久磁场的方式基本上有两种。一种是固体物体的磁化，例如条形磁铁或某些动物细胞中发现的氧化铁；另一种是所谓的发电机效应，其中电流产生磁场。
早期，研究人员意识到这一定是电流造成的。没有已知的矿物或材料能够在高于 1,000 摄氏度的温度下保持永久磁化。但是地球的金属核——地磁场的发源地——比这热得多：据估计为 5,000 度，它与太阳表面一样热。
所以，就是发电机效应。而且我们的地球并不是太阳系中唯一被认为在其核心中拥有发电机的行星。木星、土星、天王星、海王星以及可能的水星，甚至是木星的一颗卫星木卫三也是如此。
然而，这种认识只是仍在进行中的一项长期研究的开始。一个困难是，我们只能测量地球表面或太空中的磁场。仅凭这些数据，即使在理论上也不可能重建深处磁力线的形状。梅里尔指出，数学家将此称为“非唯一性”问题——也称为通过拿起并摇晃圣诞礼物（梅里尔告诉我们，这是他妻子过去常做的事情）而不是打开盒子来猜测里面是什么的困难。
事实上，除了地球最丰富的元素是铁这一事实之外，人们对地球的构成知之甚少。根据梅里尔的说法，1952 年，已故的哈佛大学地球物理学家弗朗西斯·伯奇在《地球物理研究杂志》上发表的一篇关于地球核心成分的经典论文中写道，
粗心的读者应该注意，当普通语言应用于地球内部时，会发生向高压形式的修改。以下是一些等价的例子
确定 -> 存疑
毫无疑问 -> 也许
确凿的证据 -> 模糊的暗示
无可辩驳的论点 -> 微不足道的反对意见
纯铁 -> 所有元素的不确定混合物
梅里尔写道：“尽管进行了大量出色的工作，但我们对地球核心成分的理解与半个多世纪前伯奇给出的理解惊人地相似。”
但是，梅里尔说，虽然仍有许多细节需要理清，但科学家们现在相信他们对地磁场背后（或下方）的物理原理有了大致的了解。当导体移动时，它会拖动磁场一起移动。但是，当导体不是刚性的，特别是当它是液体时（如地球外核的情况），会发生什么？当液体的层相互滑动时，磁力线会被拉伸，结果是磁场本身被放大，但这会以流体的动能为代价。但是，只要运动继续，这种现象就可以维持磁场，否则磁场会慢慢消散。
近年来，研究人员制作了地磁发电机的计算机模拟，并且至关重要的是，他们表明这种发电机将具有周期性的逆转，这将解释为什么在漫长的岁月中，南北极会以看似随机的时间间隔切换。
上一次这样的逆转似乎发生在 78 万年前。下一次逆转何时发生，任何人都无法猜测。在逆转期间，磁场不会消失，而是会变弱，这可能会扰乱一些动物的迁徙模式，并让太阳风破坏高层大气臭氧层的一部分。这是 2012 年末日论者最喜欢的灾难情景，但梅里尔向我们保证，逆转发生得非常缓慢，历时几个世纪甚至几千年，而且它们的影响可能并没有那么灾难性。
这是加州大学圣克鲁兹分校的加里·格拉茨迈尔和他的同事们基于超级计算机对地磁发电机的模拟
https://www.youtube.com/watch?v=oIdW-ngRZMs
[有关此内容的更多信息，请查看《大众科学》文章“探测地磁发电机”，作者：Gary A. Glatzmaier 和 Peter Olson，2005 年 4 月（需要订阅），以及 Glatzmaier 的网站。]
科学家们还在尝试在实验室中构建地球核心的小型版本。在马里兰大学进行的一项此类实验中，丹尼尔·拉斯罗普和他的合作者建造了一个直径为三米（十英尺）的旋转球体，并将其装满了液态钠。他们希望这个球体能够帮助他们理解核心中的混沌运动如何导致地磁场的产生。
拉斯罗普的球体在运转时，以每秒四转的速度旋转，看起来像一个漫威漫画中的超级反派
https://www.youtube.com/watch?v=B75C0o9AtwU
（关于这些努力的更多信息，请访问我的朋友 查尔斯·崔的博客。）
在他的书中，梅里尔诚实而引人入胜地描述了科学过程、其不确定性及其文化动态。科学通常被描绘成聪明创新者与站在历史错误一方的保守派之间的斗争，但实际上，在公开问题解决之前，辩论双方通常都会提出可靠的科学论据。一个很好的例子是板块构造论。这是一个非同寻常的主张，因此，正如梅里尔所称，在 20 世纪 60 年代初，“漂移论者”能够说服怀疑论者——或者至少是他们中的大多数人——之前，确实需要非同寻常的证据。
梅里尔在叙述中穿插了有趣的轶事和个人细节，这常常让我们想了解更多。（在不同的时间，我们发现我们的英雄科学家吊在优胜美地攀岩墙上的一根绳子上，或者在沉船旁潜水，或者在一艘被贴上标签以追踪其迁徙的白鲨包围的船上。）
然而，他经常回到教授模式。这本书的一个方面，不幸的是，可能会让一些读者望而却步，是第一章就提出的“先吃蔬菜”的建议：读者必须先费力地阅读关于磁化物理学的技术细节，然后才能进入有趣的部分。我怀疑有些读者从未做到这一点。
我发现这本书最好的是它深入探讨了这些不同学科的科学家之间的摩擦——以及研究人员经常（或应该）从与校园其他建筑的人员合作中学到的谦虚的教训。梅里尔用一章专门介绍的地磁学和磁感应是需要化学家、物理学家、地球物理学家、数学家和生物学家等广泛研究人员的专业知识才能解决的问题。
这种摩擦在开尔文勋爵的案例中得到了突出的展示，他在 1862 年计算出地球的年龄不可能超过 4 亿年，可能只有 1 亿年。梅里尔写道，开尔文嘲笑地质学家发现的与之相反的证据，他认为地质学家没有能力做数学。这是一个例子，说明了一些物理学家对他们认为不太“基础”的科学表现出的傲慢。（原子核的发现者欧内斯特·卢瑟福臭名昭著地说，所有科学都是物理学——其余的只是集邮。）
反过来，梅里尔写道，地球物理学家有时可能会嘲笑生物学是一门“软”科学，但那些尝试真正学习过一些生物学——更不用说在其中进行研究——的人更清楚。他特别指出，地球物理学家过去低估了确定动物磁感应背后物理机制的问题。
（梅里尔在谈到学术界之间的文化差异时，还对数学家发表了一番非常尖锐的评论。尽管过去一个世纪左右科学日益极端专业化在大多数知识分支中都很常见，因此，例如，核物理学家和固态物理学家只能在一定程度上进行交流，但梅里尔说，数学方面的情况要糟糕得多：当有人在数学系争取终身教职时，他说，系里的大多数教师对候选人的工作知之甚少，因此他们经常依赖其他大学权威人士的建议。）
最后，我想引用书中我最喜欢的一个轶事，关于澳大利亚国立大学的著名地球化学家特德·林伍德和“不太出名”的科学家雷·克劳福德。克劳福德喜欢收集他访问过的地方的文具，并且擅长恶作剧。
严谨的林伍德从 NASA 借到了一些月球岩石样本进行研究。NASA 不信任任何人来保管其珍贵的战利品，并要求在处理和存储它们时格外小心。梅里尔写道，有一天，林伍德收到了一封信，信是用 NASA 的信纸打印的。“这封信告知林伍德，NASA 资助了心理学家来研究压力对研究月球样本的科学家的影响。林伍德是否愿意每周向美国驻堪培拉大使馆发送一小瓶尿液来协助这项研究？林伍德同意了这一要求几个星期，之后大使馆的某个人才鼓起勇气给他打电话，询问教授想如何处理这些尿液样本。”
《我们磁性的地球：地磁科学》，作者：罗纳德·T·梅里尔。芝加哥大学出版社，2010 年。
延伸阅读
探测地磁发电机，作者：加里·A·格拉茨迈尔和彼得·奥尔森。《大众科学》，2005 年 4 月。
科学难以实现？重建地球发电机，查尔斯·崔的博客文章。
内在罗盘，作者：达维德·卡斯特尔韦基。《大众科学》，2012 年 1 月。