磁流體力學之父—阿爾文

李兵

（中國科學院紫金山天文臺，江蘇南京 210008）

在等離子體物理學發(fā)展史上，有許多為之做出過貢獻的科學家。毫無疑問朗繆爾（Irving Langmuir），郎道（Lev Davidovich Landau），阿爾文（Hannes Alfv n）是他們中的杰出代表。等離子體物理學主要存在兩種研究方法，一種是流體的方法，另一種是動理論的方法。早在等離子體物理學建立前，法拉第就從流體力學的角度研究了帶電流體，可謂是磁流體力學（Magnetohydrodynamics）的發(fā)端。直到阿爾文在上世紀四十年代至五十年代一系列在磁流體力學方面的開創(chuàng)性工作和發(fā)現，及其在等離子體物理學中卓有成效的應用，磁流體力學才真正成為物理學的一個重要分支，阿爾文也因此而獲得1970年的諾貝爾物理學獎。

H. 阿爾文

1 阿爾文生平及其主要學術貢獻

阿爾文于1908年5月30日出生于瑞典Norrkoping，年輕時的阿爾文就已經表現出了對天文學和天體物理學的濃厚興趣。作為阿爾文最親密的合作者Carl-Gunne Falthammar曾經說起有兩件事情深深影響了阿爾文早期的智力發(fā)展和最終的科學生涯^[1]。第一件是弗拉馬里翁（Camille Flammarion）的《大眾天文學》激起了阿爾文對天文學和天體物理學的興趣。第二件是阿爾文中學時代在學校的無線電俱樂部十分活躍，他曾經制造了若干無線電接收器。由此可見阿爾文在電磁學上的天賦在中學時代就已經嶄露頭角。

Falthammar這樣評價阿爾文，“作為一個科學家，阿爾文傾向于從電磁學角度分析天體物理問題，這的確是富有成效的方法”。阿爾文一生的主要貢獻集中在行星際與磁層物理、磁流體力學、宇宙學等領域。

在阿爾文的早期學術生涯中（1931年-1941年），阿爾文圍繞銀河系內行星際空間宇宙射線的計量與起源做了大量研究。為了處理帶電粒子在電磁場中的復雜運動，阿爾文首先提出帶電粒子引導中心的概念，為解釋宇宙射線，基于引導中心的概念他提出，銀河系可能存在一大尺度的磁場，磁場俘獲帶電的宇宙射線粒子，使得它們在近似為圓的軌道上運動。即使只有小部分的電離氣體存在，它在磁場中產生的電流足以產生星際磁場。因此，弱磁場必定充滿整個銀河系。正是星際的電磁場支配著地球附近發(fā)生的現象，輻射帶極光、磁暴及彗尾都因此的到了完美的解釋^[2,3]。然而當時科學界的主流認為星際空間除了“真空”，什么都不存在，更不要說磁場了。阿爾文也因此一直得不到科學界的足夠重視，可他從沒有放棄，一直在堅持，直到1974年人造地球衛(wèi)星首次觀測到星際磁場和地球磁層電流后阿爾文的想法才得到證實。1934年，阿爾文獲得烏普薩拉大學博士學位，博士學位論文題為《Investigations of the Ultra-short Electromagnetic Waves》，同年他被任命為烏普薩拉大學物理學講師。

阿爾文一生中許多最重要的貢獻是在他的黃金時期二十世紀四十年代到五十年代完成的，其中阿爾文波的發(fā)現開創(chuàng)了磁流體力學的新領域，堪稱科學史上的佳話。阿爾文有著天才般的直覺和敏銳的洞察力，善于從復雜具體問題中挖掘主要矛盾。阿爾文首先注意到，當導電流體在磁場中運動時，會產生感應電流，感應電流又與磁場反作用于導電流體，這構成了磁流體力學的基本思想。1942年，為了解釋太陽黑子他首次提出了凍結效應并預言了磁力線與導電流體的耦合將產生一種新的波--阿爾文波^[4,5]。阿爾文波是存在磁場時導電流體中所特有的一種波動。這種波類似在繃緊的弦中傳播的橫波，沿著磁力線方向傳播。更準確的說是阿爾文所預言的這種波是剪切阿爾文波。眾所周知根據麥克斯的電磁理論，電磁波在導體中無法傳播，只能滲透導體表面一個原子尺度的量級。當阿爾文提出在導電的等離子體中存在能傳播的阿爾文波后，科學界普遍持懷疑態(tài)度。

1948年阿爾文第一次前往美國，受芝加哥大學邀請做了幾場磁流體力學的演講，芝加哥大學教授著名物理學家費米（Enrico Fermi）在了解阿爾文的工作后，情況才出現了轉機^[2]。前美國Geophysical Research Letters雜志編輯亞利桑那大學（University of Arizona）教授Alex Dessler這樣調侃道，當阿爾文演講完畢后，費米點了點頭說：“噢，這種波當然存在”。第二天整個物理學界都說：“噢，那當然”。之后各種各樣的等離子體波才相繼被發(fā)現。在實驗室環(huán)境中，阿爾文波的觀測實驗最先是阿爾文的學生Lundquist在金屬導電流體水銀里實現的^[6,7]。

1942年在阿爾文波提出后，宇宙學漸漸吸引了阿爾文的興趣。阿爾文初步提出了太陽系行星形成理論^[8]。他認為太陽系內的天體都是由一個高度電離的氣體云形成的。太陽一形成就有很強的磁場，其周圍的高溫電離氣體云因冷卻而還原成中性態(tài)，并因太陽的引力而下落。當下落的動能超過電離能時，由于碰撞而再度電離，并在離太陽一定距離處停止下落。根據各元素的電離電勢，阿爾文算出在離太陽不同距離處先后形成大小不等的四個物質云。太陽系中的行星、衛(wèi)星都分別由這四個云中的物質凝聚而成。阿爾文的理論成功解釋了引力理論所不能解釋的為什么太陽系的角動量聚集在行星而不是太陽。雖然目前主流的太陽系形成理論認為相比引力而言，磁流體力學過程起著非常小的作用，但是阿爾文的思想對于我們進一步認識太陽系的起源無疑具有十分重要的啟發(fā)作用。

1950年，阿爾文總結進二十年的磁流體力學研究工作，出版了《宇宙電動力學》（Cosmical electrodynamics），該書是現代等離子體物理學的經典著作，她的出版標志著磁流體力學真正成為現代物理學的一個重要分支，阿爾文也以 “磁流體力學之父”而享譽世界。如今“磁流體力學”已經普遍應用于熱核聚變等離子體、實驗室等離子體、空間等離子體以及天體物理等離子體，成為等離子體物理學的一個重要分支。同年，阿爾文和其同事Herlofson首先指出許多來自宇宙的非熱輻射是高能相對論性電子在磁場中運動產生的同步輻射^[9]，這又是阿爾文的另一個重要貢獻。五十年代期間，阿爾文致力于推廣磁流體力學在宇宙射線、極光、太陽磁場等領域做了大量的完善與總結工作^[10,11,12]，為磁流體力學的發(fā)展與應用做出了許多卓有成效的貢獻，是當之無愧的“磁流體力學之父”。

自二十世紀四十年代起太陽系起源逐漸吸引了阿爾文的興趣，六十年代后阿爾文的主要研究領域已經基本集中在宇宙學與太陽系起源等問題上。阿爾文致力于從基本的物理學規(guī)律出發(fā)研究問題，傾向于從電磁角度分析天體物理問題，對于太陽系的起源同樣如此。阿爾文曾公開反對宇宙大爆炸理論，他明確表示：“等離子體知識對于我們理解太陽系的起源與演化也是很重要的，因為我們有充分理由相信，現在構成天體的物質曾經是以等離子體狀態(tài)分布著的?！痹谘芯刻栂灯鹪磁c演化問題中阿爾文秉承對稱性的基本原理，從宇宙的正物質與反物質量相等出發(fā)構建他的宇宙體系。1966年出版的《世界與反物質：宇宙中的反物質》（Worlds-Antiworlds: Antimatter in Cosmology）一書集中體現了他對物理學美感的執(zhí)著追求。與Arrhenius合著有一系列關于太陽系起源的論文， 1975年出版了《太陽系結構與演化史》（Structure and evolutionary history of the solar system）一書是其多年研究成果的總結。

阿爾文是一位向往和平的科學家。最初，他支持開發(fā)原子能，為人類造福，但后來他逐漸認為，不僅是核武器，就是“和平”利用原子能都是不可接受的，此后，他一直參加反核武器運動。他曾經建議瑞典政府永遠不要使用當時正在建造的核反應堆，而用傳統(tǒng)燃料驅動那座核反應堆的渦輪機。在同瑞典政府發(fā)生多次意見分歧后，1967年阿爾文做出了艱難的決定，選擇了離開。他如是寫到，“My work is no longer desired in this country”。他馬上收到了前蘇聯和美國拋來的橄欖枝，在前蘇聯渡過兩個月后，他最后來到了美國，任職于加州大學圣第亞哥分校和南加州大學。隨后他對自己心愛的祖國做出了妥協(xié)，每年仍定期回斯德哥爾摩的皇家工程學院進行研究工作。

1995年4月2日，阿爾文于斯德哥爾摩逝世，享年86歲，長眠于他深深熱愛的祖國。為了紀念阿爾文的杰出貢獻，第1778號小行星被命名為“阿爾文”。

2 阿爾文留給后人的啟示

阿爾文的一生，曲折中充滿輝煌；平淡中充滿傳奇?？梢哉f在1970年獲得諾貝爾物理學獎之前，雖然科學界同行普遍引用其工作，于阿爾文本人卻鮮有認識。這其中的原因值得我們深思。在阿爾文的早期學術生涯中，由于阿爾文思想超前，他的許多觀點都被主流科學界所排斥，使得他的許多重要貢獻不得不發(fā)表在非主流雜志上。比如他和當時的地球物理學界權威Chapman之間關于地球極光和磁暴的形成的爭論，使得他長期得不到重視。難能可貴的是即使如此，阿爾文初心不改、持之以恒，以他的行動捍衛(wèi)著真理之光。直到Chapman逝世四年后的1974年，人造地球衛(wèi)星才觀測到地球磁場中向下運動的電流，最終證實了阿爾文的觀點。

阿爾文畢生都保持著對等離子體物理學的濃厚興趣，有著深刻的洞察力和敏銳的物理直覺，而且始終堅持從物理學基本原理出發(fā)研究問題，阿爾文本人將他的這種科學品質歸因于童年時代的經歷。在科學研究中物理直覺也許不是最重要的，但絕對不可缺少。正是這種敏銳的直接引導阿爾文發(fā)現了磁流體力學波，開創(chuàng)了磁流體力學的新領域。然而在提出阿爾文波的近十年中，阿爾文卻飽受來自科學界的各種壓力，有人甚至寫信嘲諷。直到物理學界的權威費米在了解阿爾文的工作后，同行們才開始重視阿爾文的發(fā)現。對于科學界的同行評審制度，無疑阿爾文是受害者之一，其中的弊利可見一斑。

功夫不負有心人，阿爾文晚年時得到了科學界的極大肯定和無數榮譽，包括英國皇家天文學會金質獎章（1967）、諾貝爾物理學獎（1970）、美國富蘭克林研究所富蘭克林獎章（1971）、前蘇聯科學院羅蒙諾索夫獎章（1971）。他還是歐洲物理學會、瑞典皇家科學院、美國藝術與科學學院、前蘇聯國家科學院、美國國家科學院會員。

成名之后阿爾文并沒有離開學術，一直致力于從磁流體力學角度出發(fā)發(fā)展他早期的太陽系演化理論，雖然主流天文學界認為磁流體力學過程在大尺度的宇宙演化問題上是不重要的，他仍孤軍奮戰(zhàn)，同其合作者完成了長篇巨著《太陽系的結構和演化史》、為我們提供了一幅獨特的物理圖景，也許在不遠的將來，科學的發(fā)展將證明阿爾文的視角是正確的。

同其他科學大師一樣，阿爾文的一生生活在爭論中。阿爾文的生活并沒有受到影響，他擁有一個溫馨的大家庭；阿爾文性格幽默、興趣廣泛、如同他在科學界中的創(chuàng)新一般充滿活力、熱愛旅游與冒險；他還廣泛涉獵科學史、東方哲學、宗教等領域，并且通曉瑞典語、英語、德語、法語、俄語，還會講一些西班牙語和漢語?？茖W不僅是一門學問，也應該是一種生活，或許真正的生活才是真正的科學研究。正如T. G. Cowling在《宇宙電動力學》出版之際所評價的那樣“阿爾文是斯德哥爾摩的電氣工程師”，真實寫照了阿爾文輝煌的一生。

Father of MHD—Hannes Alfv n

LiBing

（Purple Mountain Observatory of CAS, NanJing Jiangsu，210008）

Abstract: With his powerful insight and inherent talent in physics, Alfv n has deeply changed our traditional view of the university. Because of his creative work in astrophysics, magnetohydrodynamics (MHD) becomes a independent subject of modern physics in the strict sense. Alfv n’s outstanding academic achievements and tragic experiences is summarily presented in this paper, and the possible relevant reasons are also discussed.

 

Keywords: Physics of Plasmas; ？MHD; ？Alfv n

 

參考文獻

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