本周我们发现自己被磁力这个话题所吸引;它使我们的家庭发电和配电成为可能，或者通过无线电波发送信息和广播;它支撑着我们通过核磁共振扫描仪等技术看到身体内部的能力，而且由于我们的星球周围有一个巨大的磁场，所以来自太空的大部分辐射攻击都会被阻挡，使地球保持宜居状态。行星磁场也为我们和动物提供了一种导航方式，甚至有细菌可以感知地球的磁力并利用它来指导自己的行动。科学家们现在正试图用这些微生物来对抗癌症。
在这一集里
磁学简史
迈克尔·科伊，都柏林三一学院
与我们一起开始隐喻磁球滚动的是都柏林三一学院的物理学家迈克尔·科伊，他将自己的职业生涯献给了磁学和磁性材料及其历史的研究……
迈克尔:这是个很好的外行人问题。但是，当上世纪最伟大的理论物理学家之一理查德·费曼(Richard Feynman)被问到磁铁为什么会吸引时，他很难回答。他的话可以归结为，我们需要通过几年的物理学习来掌握一种共同的语言。最好是接受他们的所作所为，然后继续前行。事实上，许多年轻人，包括年轻的阿尔伯特·爱因斯坦，都惊奇地发现，你可以通过挥舞附近的另一个磁铁来移动磁铁，而不需要它们接触。我们只是熟悉了磁场，然后继续。
我想理查德·费曼也说过科学就像性:两者都有实际的结果，但这不是我们做科学的原因。人们是什么时候开始熟悉这种你无法解释的东西是一种现象的想法的?这是一个真实的东西，它就在那里，它是一个实体，我们可以看到它在行动。
迈克尔:很久很久以前，我们发现了天然磁铁，那是一种叫做磁石的岩石，富含氧化铁。信不信由你，它们被雷击中的巨大电流磁化了。它们相互吸引和排斥，它们强烈地吸引金属铁。所以这可能是关于铁器时代的开端。
克里斯-原来这就是天然磁石的原理。这与地球的磁场无关。它们已经被闪电磁化然后它们与地球磁场相互作用?
迈克尔-没错。
克里斯-人们什么时候会意识到这一点?因为这是一种直觉上的跳跃，从你把一块石头悬在空中，然后意识到它总是指向同一个方向。他们什么时候开始意识到这是一个有用的东西，他们可以部署?
除了玩的东西，中国人在2000多年前就开始好好利用它们了。他们把一块磁石雕刻成勺子的形状，就像你在中国餐馆里看到的那样。他们把它放在一个抛光的表面上，你瞧，把手转向了南方。它们的应用是风水或风水。直到大约一千年后，人们才意识到悬挂的铁针或漂浮的鱼的作用，可以使人们在远离陆地的海洋上航行。这就是指南针的发明。那是磁力第一次真正改变了世界。这是第一次磁革命。它导致了15世纪的大航海，中国海军上将郑和于1415年发现了非洲，克里斯托弗·哥伦布于1492年发现了美洲。
克里斯-想到风水早于航海就很神奇，不是吗?但是下一个直觉上的飞跃是什么呢，即磁和电紧密地结合在一起?这是怎么发生的?
迈克尔:嗯，相似之处确实非常惊人，但人们多年来一直试图确定两者之间的联系，直到汉斯·克里斯蒂安·奥斯特德(Hans Christian Orsted)成功，他喜欢在丹麦做公开演讲，他用一根长铜线和许多小指南针重复了他的论证，证明两者之间没有联系。但是，在1820年，当有人把电线的另一端连接到电堆上时，他已经把电线的另一端连接上了。当电流流动时，磁铁开始垂直于电流摆动。正是这个火花点燃了电磁革命。几周之内，安培和阿拉戈的消息传到了巴黎，他指出，如果你把电流绕成一个线圈，它的行为就像磁铁一样。几周后，消息传到了伦敦迈克尔·法拉第制造出了第一个基本的电动机。电磁革命像野火一样蔓延。
克里斯:那广播的问题呢?因为无线电也是电磁辐射。电、磁之间的联系是如何建立的，然后以这种方式传输不可见的波和信息?
迈克尔-这真的要感谢麦克斯韦，他根据法拉第的思想建立了统一的电、磁、光理论，其中电场和磁场是垂直的。但关键是，无线电是一种交变波，其中电场和磁场垂直:光、无线电、微波——它们都以光速传播。但我们也得到了马达，发电机，配电网络消除了白天和黑夜的暴政，消除了蜡烛，消除了街道上的马匹。在19世纪，世界发生了翻天覆地的变化。
克里斯-就是这样。从风水到我们现在如何在街道上行驶电动汽车。非常感谢，这是来自都柏林三一学院的Michael Coey。
磁铁保存着板块构造的证据
哈佛大学的Alec Brenner和Roger Fu
我们都要感谢地球的磁场，因为我们在这里——没有它，我们已经被太空辐射击中了。但我们的磁场也可以帮助我们拼凑出地球的历史，以及我们所知道的生命是如何在这里进化的。这是因为它可以帮助我们重建45亿年前地球形成以来的样子。一个世纪前，阿尔弗雷德·韦格纳提出了大陆漂移理论。许多人不相信，但随着时间的推移，越来越多的证据开始出现，证明他是对的:地球表面是由不断移动和争夺位置的构造板块组成的，把大陆也带走了。T证实韦格纳理论的线索是，这些岩石在数十亿年前形成时，受到地球磁场的影响，形成了磁性特征。从这些特征中，哈佛大学的亚历克·布伦纳和罗杰·傅等地质学家可以计算出岩石锻造时的位置，从而评估其随时间的运动，以及亚历克解释说，地球在那个时候是什么样子的……
亚历克:早期的地球和我们今天生活的地球是完全不同的。自从45亿年前形成以来，它一直在变化。当然，板块构造是其中的一部分。地球表面可能是岩浆海洋。它会不断受到太阳系诞生时遗留下来的巨大小行星的撞击。但在大约1亿年内，地表就会冷却下来。海洋可能就形成了。它的内部更热，火山喷发可能也更热。偶尔还会有巨大的小行星撞击。唯一的生物应该是细菌。 Our research adds to this picture by looking at what plate tectonics and earth's magnetic field were doing in the background while all of these changes were happening,
詹姆斯:我们是如何从亚历克刚刚描述的地球景象中过渡出来的?
罗杰-所以这是最难的部分。亚历克说，我们知道，在地球最初形成后不久，假设44亿年前，我们可能有一个稳定的地壳。下一部分是真正棘手的部分，我们没有任何接近共识的东西，这就是地壳是如何分裂的?这是我们只在地球上看到的东西，它形成了板块构造的核心。我们有两种不同类型的地壳相互碰撞一些密度较大，沉到地幔中一些较轻，留在地表。
亚历克-这就是我们的切入点。我们测量了古代岩石保存的磁信号，这些信号告诉我们这些岩石是如何在地表水平漂移的。对我们这样的科学家来说，岩石是时间胶囊，可以记录并保存有关它们在哪里、如何以及何时形成的信息。我们在岩石中寻找的信息是磁性信息。这里的想法是，岩石含有微小的磁性矿物颗粒。这些是赤铁矿和磁铁矿，这些颗粒就像小指南针，可以在它们形成的地方被冻结。所以，就像你在户外航行时可以用指南针在地球上找到方向一样，你也可以用这些保存在岩石中的小矿物指南针来回顾这些岩石在地球表面上是如何移动的。我们寻找这些岩石的地方是在西澳大利亚的沙漠里。它被称为皮尔巴拉克拉通。在我们的研究中，我们去了那里，测量了这些保存在岩石中的小矿物质的磁信号，这些岩石大约有33到32亿年的历史。 And what we found was that the Pilbara was drifting pretty quickly over Earth's surface back then. In fact, actually at a similar rate to how fast the new world and old world are drifting apart due to plate tectonics right now. And not only that, but we actually also stumbled on the signature of what we call an ancient geomagnetic reversal, or basically a flip versus magnetic magnetic field. And that's where the North and South poles of earth's magnetic field exchange places. And this happens pretty often on the modern earth. And what that means is that the ancient Earth's magnetic field acted a lot like it does today with a North and a South pole that originate from convection in Earth's core.
詹姆斯:这真是太神奇了，在数十亿年的时间里，即使从地质学的角度来说，我也认为这是很长的一段时间，但构造板块的运动却一直保持一致。我想知道你们中是否有人能说出地球表面在什么时候可能成为一个生命可以维持的环境。地球在此之前的状态需要解决的主要标准是什么?
罗杰:所以你会得到很多关于这个问题的意见。在最基本的层面上，有一个表面不是，比如说，几千度的高温，这可能很早就发生了。那时进化出来的生命是否能够自我维持，地球上是否存在其他条件，比如稳定的温度，合适的元素，这是一个更难回答的问题，更难达到的标准。我们不知道这是什么时候发生的，但证据表明，大约在40亿年前，当然也就是35亿年前，地球上出现了生命。
亚历克:从本质上讲，这并不一定需要板块构造的具体发生，或者磁场的具体发生。这并不一定需要这些因素的存在，但我们现在可以看到它们的存在，这无疑增加了故事的内容。今天，我们可以看到板块构造和地球磁场是如何为生命创造有利条件的。例如，磁场的存在，稳定了大气层，使其免受宇宙射线的轰击。或者，板块构造不仅创造了生物赖以生存的环境，而且还在整个地球系统中扮演了一系列不同的角色，例如，在数十亿年的时间里，它稳定了气候。
罗杰:如果说板块构造对生命至关重要的话，那很可能是通过这种被称为沃克反馈的温度调节机制。在这里，大气中多余的二氧化碳被储存在海底的岩石中，然后被俯冲，或者在很长一段时间内被隐藏在地幔中。如果没有这种将地表二氧化碳以岩石的形式运走并埋藏在地下深处的能力，人们相信二氧化碳会在大气中积聚。当然，二氧化碳是一种温室气体，它使地表越来越热。
利用磁性细菌对抗肿瘤
Simone sch rle- finke，苏黎世联邦理工学院
我们将听到一些令人兴奋的工作，用细菌来杀死癌症;这个想法是，微生物可以携带破坏性的有效载荷，直接杀死癌细胞，同时唤起抗肿瘤免疫反应。信不信由你，这是比较容易的部分，也是一个世纪的科学。更困难的问题是，如何在一开始就把bug弄到正确的位置——数量可观的位置。Simone sch
Simone:我是一名训练有素的微型机器人专家，我对开发更有效的药物输送新技术非常感兴趣，特别是在癌症治疗方面。所以我们基本上是在尝试设计微型机器人，它们可以更有效地将药物运送到肿瘤部位。我们从大自然中获得灵感，实际上与细菌一起工作，并将它们作为向肿瘤输送药物的载体。
克里斯-有这方面的记录吗?当你说你受到大自然的启发时，这意味着我们知道这种情况会发生。
这个想法可以追溯到很久以前。在19世纪末，美国骨外科医生William Coley发现癌症患者的肿瘤退化，当他们也有细菌感染时，他认为似乎有一种自然的肿瘤归家细菌也可以有治疗功能比如它们会招募免疫细胞。这就是免疫疗法的第一种形式。威廉·科利看到这种联系后，他故意给病人注射细菌。对一些病人来说效果很好他看到肿瘤消退并报告了这些病例。但对其他人来说，他们实际上经历了脓毒性休克，你也可以想象血液中有细菌。正因为如此，再加上放射疗法的兴起，这种想法似乎逐渐消失了。但现在我们正在经历这个概念的复兴，因为我们有了新的工具和合成生物学，我们可以更好地控制细菌，并以某种方式改造它们。
克里斯-当你说要更多的控制时，你的意思是什么?
西蒙娜:嗯，一方面可以控制它们如何被人体识别。但另一方面，他们也可以控制他们的去向。这正是我的微型机器人控制策略的切入点。我一直在研究磁场和磁控制。如果你有对磁场有反应的细菌，你可以使用磁场来帮助它们更好地在肿瘤组织中积累。
克里斯:你是怎么让细菌对磁敏感的?
西蒙娜:嗯，事实证明大自然已经为我们提供了解决方案。存在天生的磁性细菌，即所谓的趋磁细菌。这些微生物生物矿化氧化铁纳米晶体。这些是它们体内产生的微小磁铁，因为它们从环境中吸收铁。这已经进化了，因为这些细菌实际上生活在海洋中。他们用它来导航地球磁场。
克里斯-啊，所以这些细菌确实已经在利用磁场了，它们积累了铁来达到这个目的。所以你是说我们用这种机制来有效地驱使细菌或其他细菌去我们想要它们去的地方。
西蒙娜:我们基本上可以超越对地球磁场的反应，并控制它们的方向。
克里斯-我很惊讶，一个只有一毫米长，里面有一些铁粒子的东西居然能探测到地球磁场，然后有意义地利用它。我们知道他们是怎么做到的吗?
Simone -是扭矩的问题。它们在外部磁场中经历任何磁性物质的结合。一串氧化铁纳米晶体就像钻石的指南针。我们在其他动物身上也看到了这一点，它们有磁场的感觉，在这个扭矩下，可以感知方向。
克里斯:你是如何设想创造出能够引导微生物以正确方式前进的领域的?因为对他们来说，体验一个行星规模的磁场，知道它的上下是一回事。例如，当你试图在三维空间中引导物体穿过人体环境中的复杂组织，到达一个可能是肿瘤的地方时，这是完全不同的事情。
西蒙娜:所以我们并不是在试图给出一个方向，比如向左或向右。我们所做的基本上就是在肿瘤部位施加旋转磁场这些细菌基本上就像微小的棒或水平开始转动。当它们在血液循环中这样做时，在这些旋转磁场的血液循环中可以帮助它们开始沿着血管壁翻滚。正如我们所发现的，这是一个非常重要或至关重要的机制，因为它帮助它们找到血管之间的缝隙，然后出来进入肿瘤组织。
克里斯-我支持你。所以本质上你使用一个旋转的磁场因为它几乎会产生漩涡。它就像小漩涡，细菌会掉进去，然后它们会滚动。如果有一个缝隙，它们可以爬过去，它们就更有可能爬过去。所以如果你把漩涡的中心放在肿瘤上，它们就会减慢速度，优先在肿瘤里打滚，这意味着你会加强输送。
西蒙-我觉得你说得很好，是的。<笑>。
克里斯-这有用吗?你可能还没到把这个放到人身上的阶段，所以一定有某种模型系统你在测试它。
西蒙娜:是的。所以我们首先在培养皿中进行了测试。从血管细胞开始，我们在细胞膜上培养它们然后我们在上面添加细菌从这些旋转磁场开始然后计算有多少细菌可以通过细胞层。我们可以看到，这比没有磁场时要高得多。然后我们在动物模型中也进行了测试，可以看到当我们将一些暴露在旋转磁场中时，我们在肿瘤中发现了明显更高的富集。
我们该怎么处理这些太空垃圾呢?
杰克·阿博特，犹他大学
进入太空，以及研究人员如何试图利用磁场来解决一个日益严重的大问题:成千上万的废弃垃圾碎片现在绕着地球运行，对我们的卫星、航天器和宇航员构成了威胁。这些物质中的大部分不是由铁或少数“铁磁材料”组成的，所以这不仅仅是挥舞磁铁来抓住它的情况。这行不通。相反，解决方案要巧妙得多:通过创造一个变化的磁场，你可以诱导电流在导电材料中流动，导电材料反过来产生自己的磁场，然后你可以推或拉它。杰克·阿博特(Jake Abbott)正在犹他大学研究这个想法。
杰克-每天，我们的社会都在向太空发射更多的东西。它们基本上都在同一个轨道上运行。成千上万的垃圾碎片。它的范围从微小的尘埃到巨大的火箭体。问题是它们燃烧得不够快。它们所在的轨道是相当稳定的。因此，在它们最终在地球大气层中燃烧之前，它们可能会在那里停留几十年。问题是，每增加一块新的碎片，就会增加碰撞的风险。当碎片之间发生碰撞时，它会产生级联效应，产生更多的碎片，像子弹一样向四面八方飞去。如果我们不小心，我们最终可能会在我们的星球周围留下一个永久的碎片环。 So there's a big effort to figure out how to get this debris to burn up faster than it would naturally.
詹姆斯-太空中有多少物质是非磁性的?
杰克:主要是铝。这些巨大的铝块通常被认为是非磁性的。如果你试着把磁铁粘在铝上，它不会粘在铝上。在过去的15年里，我们一直在使用所有的技术来操纵铁磁性金属，如果你试图使用这些方法，什么也不会发生。铝制物体根本不动。
詹姆斯:那解决办法是什么?
杰克:所以我们最近意识到有一种众所周知的古老现象叫做涡流。如果你迅速改变磁场，就在磁场变化的那段时间里，你就会在任何导电材料中产生电流。所以这是所有其他没有磁性的金属。铝最终是一个相当好的导体。所以当磁场改变时，这些涡流就会在金属中产生。但是我们已经知道如何利用涡流发电来进行操控。在那一刻，你在这些金属内部产生循环涡流。它们几乎就像迷你的电磁铁。这些小的迷你电磁铁会对你用来产生它们的磁场产生反应。这样就产生了力，在这些小涡流上产生了力矩。 And so now we can rotate things. We can push things and pull things. It is a way for us to literally reach out into space away from us, pull that object into us. So it's something like a tractor beam.
詹姆斯:为什么你需要这么高的精确度来清除太空垃圾，而你用你的方法就能做到呢?你为什么不能直接用身体打击他们，扰乱他们的运动，让他们燃烧得更快一点呢?
杰克-有些太空碎片是真正的垃圾，你会认为是碎片。你真正要做的是尽可能快地让它们脱离轨道，也就是说让它们在地球大气层中燃烧殆尽。有些东西可能是曾经工作过的卫星，如果你能修复它们，它们可以再次工作。所以我们的目标不是让它们脱离轨道，而是让它们多活20年之类的。很多人已经解决了找到一个感兴趣的物体，并将一些机器人卫星与该物体同步轨道的问题。现在你可以想象机器人和碎片在同步轨道上它们不再相对运动了。你说，好吧，我要么想修复这个物体，要么我想在它上面附加一些东西，让它脱离轨道，让它慢下来。问题是，每个人都会遇到，当你遇到这个在地球上绕了很长时间的物体时，它经常会失去控制。没有办法安全地抓住它。因为如果你试图抓住它，要么你会弄坏你的机器人，制造更多的碎片，要么这个翻滚的物体可能会有天线或太阳能电池脱落。 And if you try and grab that, you might turn that one piece of debris into lots of pieces of debris. So this problem of, I've synchronized myself with this piece of junk, it's tumbling out of control. I wanna grab it and manipulate it, maybe using more traditional robotic methods, but I don't know how to grab it safely. So that's where we come in. We are creating a methodology in which we can de tumble this object without touching it. So now imagine the robot has two stages. The first stage is our technology where this, this object is tumbling out of control, and we use our magnetic fields to get it to stop tumbling. And then once it has stopped tumbling, then more traditional robotic hands reach out and do the manipulation.
詹姆斯-怎么样了?这是在概念验证阶段吗?它还在进一步发展吗?情况如何?
杰克-是的。我的意思是，我们的论文里有演示。我们有视频，所以你可以看到我们拉东西。距离相对较短。我和一家名为Rogue Space Systems的公司合作，我们正在努力发展这项技术，使其在不久的将来能够投入太空。事实上，我们已经从美国太空部队那里得到了资金来研究这个。
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