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磁流體力學(xué)之父—阿爾文
力學(xué)園地
2015年12月28日磁流體力學(xué)之父—阿爾文
李兵
（中國科學(xué)院紫金山天文臺，江蘇南京 210008）
在等離子體物理學(xué)發(fā)展史上，有許多為之做出過貢獻(xiàn)的科學(xué)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(xué)主要存在兩種研究方法，一種是流體的方法，另一種是動(dòng)理論的方法。早在等離子體物理學(xué)建立前，法拉第就從流體力學(xué)的角度研究了帶電流體，可謂是磁流體力學(xué)（Magnetohydrodynamics）的發(fā)端。直到阿爾文在上世紀(jì)四十年代至五十年代一系列在磁流體力學(xué)方面的開創(chuàng)性工作和發(fā)現(xiàn)，及其在等離子體物理學(xué)中卓有成效的應(yīng)用，磁流體力學(xué)才真正成為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，阿爾文也因此而獲得1970年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
H. 阿爾文
1 阿爾文生平及其主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)
阿爾文于1908年5月30日出生于瑞典Norrkoping，年輕時(shí)的阿爾文就已經(jīng)表現(xiàn)出了對天文學(xué)和天體物理學(xué)的濃厚興趣。作為阿爾文最親密的合作者Carl-Gunne Falthammar曾經(jīng)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(xué)生涯[1]。第一件是弗拉馬里翁（Camille Flammarion）的《大眾天文學(xué)》激起了阿爾文對天文學(xué)和天體物理學(xué)的興趣。第二件是阿爾文中學(xué)時(shí)代在學(xué)校的無線電俱樂部十分活躍，他曾經(jīng)制造了若干無線電接收器。由此可見阿爾文在電磁學(xué)上的天賦在中學(xué)時(shí)代就已經(jīng)嶄露頭角。
Falthammar這樣評價(jià)阿爾文，“作為一個(gè)科學(xué)家，阿爾文傾向于從電磁學(xué)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(xiàn)集中在行星際與磁層物理、磁流體力學(xué)、宇宙學(xué)等領(lǐng)域。
在阿爾文的早期學(xué)術(shù)生涯中（1931年-1941年），阿爾文圍繞銀河系內(nèi)行星際空間宇宙射線的計(jì)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(fù)雜運(yùn)動(dòng)，阿爾文首先提出帶電粒子引導(dǎo)中心的概念，為解釋宇宙射線，基于引導(dǎo)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(yùn)動(dòng)。即使只有小部分的電離氣體存在，它在磁場中產(chǎn)生的電流足以產(chǎn)生星際磁場。因此，弱磁場必定充滿整個(gè)銀河系。正是星際的電磁場支配著地球附近發(fā)生的現(xiàn)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(dāng)時(shí)科學(xué)界的主流認(rèn)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(xué)界的足夠重視，可他從沒有放棄，一直在堅(jiān)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(shí)。1934年，阿爾文獲得烏普薩拉大學(xué)博士學(xué)位，博士學(xué)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(xué)物理學(xué)講師。
阿爾文一生中許多最重要的貢獻(xiàn)是在他的黃金時(shí)期二十世紀(jì)四十年代到五十年代完成的，其中阿爾文波的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了磁流體力學(xué)的新領(lǐng)域，堪稱科學(xué)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(fù)雜具體問題中挖掘主要矛盾。阿爾文首先注意到，當(dāng)導(dǎo)電流體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又與磁場反作用于導(dǎo)電流體，這構(gòu)成了磁流體力學(xué)的基本思想。1942年，為了解釋太陽黑子他首次提出了凍結(jié)效應(yīng)并預(yù)言了磁力線與導(dǎo)電流體的耦合將產(chǎn)生一種新的波--阿爾文波[4,5]。阿爾文波是存在磁場時(shí)導(dǎo)電流體中所特有的一種波動(dòng)。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(zhǔn)確的說是阿爾文所預(yù)言的這種波是剪切阿爾文波。眾所周知根據(jù)麥克斯的電磁理論，電磁波在導(dǎo)體中無法傳播，只能滲透導(dǎo)體表面一個(gè)原子尺度的量級。當(dāng)阿爾文提出在導(dǎo)電的等離子體中存在能傳播的阿爾文波后，科學(xué)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(xué)邀請做了幾場磁流體力學(xué)的演講，芝加哥大學(xué)教授著名物理學(xué)家費(fèi)米（Enrico Fermi）在了解阿爾文的工作后，情況才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)[2]。前美國Geophysical Research Letters雜志編輯亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）教授Alex Dessler這樣調(diào)侃道，當(dāng)阿爾文演講完畢后，費(fèi)米點(diǎn)了點(diǎn)頭說：“噢，這種波當(dāng)然存在”。第二天整個(gè)物理學(xué)界都說：“噢，那當(dāng)然”。之后各種各樣的等離子體波才相繼被發(fā)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，阿爾文波的觀測實(shí)驗(yàn)最先是阿爾文的學(xué)生Lundquist在金屬導(dǎo)電流體水銀里實(shí)現(xiàn)的[6,7]。
1942年在阿爾文波提出后，宇宙學(xué)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(rèn)為太陽系內(nèi)的天體都是由一個(gè)高度電離的氣體云形成的。太陽一形成就有很強(qiáng)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(dāng)下落的動(dòng)能超過電離能時(shí)，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(jù)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(gè)物質(zhì)云。太陽系中的行星、衛(wèi)星都分別由這四個(gè)云中的物質(zhì)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(dòng)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(rèn)為相比引力而言，磁流體力學(xué)過程起著非常小的作用，但是阿爾文的思想對于我們進(jìn)一步認(rèn)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(jié)進(jìn)二十年的磁流體力學(xué)研究工作，出版了《宇宙電動(dòng)力學(xué)》（Cosmical electrodynamics），該書是現(xiàn)代等離子體物理學(xué)的經(jīng)典著作，她的出版標(biāo)志著磁流體力學(xué)真正成為現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要分支，阿爾文也以 “磁流體力學(xué)之父”而享譽(yù)世界。如今“磁流體力學(xué)”已經(jīng)普遍應(yīng)用于熱核聚變等離子體、實(shí)驗(yàn)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(xué)的一個(gè)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的同步輻射[9]，這又是阿爾文的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)。五十年代期間，阿爾文致力于推廣磁流體力學(xué)在宇宙射線、極光、太陽磁場等領(lǐng)域做了大量的完善與總結(jié)工作[10,11,12]，為磁流體力學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用做出了許多卓有成效的貢獻(xiàn)，是當(dāng)之無愧的“磁流體力學(xué)之父”。
自二十世紀(jì)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(lǐng)域已經(jīng)基本集中在宇宙學(xué)與太陽系起源等問題上。阿爾文致力于從基本的物理學(xué)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?yàn)槲覀冇谐浞掷碛上嘈?，現(xiàn)在構(gòu)成天體的物質(zhì)曾經(jīng)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(zhì)與反物質(zhì)量相等出發(fā)構(gòu)建他的宇宙體系。1966年出版的《世界與反物質(zhì)：宇宙中的反物質(zhì)》（Worlds-Antiworlds: Antimatter in Cosmology）一書集中體現(xiàn)了他對物理學(xué)美感的執(zhí)著追求。與Arrhenius合著有一系列關(guān)于太陽系起源的論文， 1975年出版了《太陽系結(jié)構(gòu)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(jié)。
阿爾文是一位向往和平的科學(xué)家。最初，他支持開發(fā)原子能，為人類造福，但后來他逐漸認(rèn)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(yùn)動(dòng)。他曾經(jīng)建議瑞典政府永遠(yuǎn)不要使用當(dāng)時(shí)正在建造的核反應(yīng)堆，而用傳統(tǒng)燃料驅(qū)動(dòng)那座核反應(yīng)堆的渦輪機(jī)。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(lián)和美國拋來的橄欖枝，在前蘇聯(lián)渡過兩個(gè)月后，他最后來到了美國，任職于加州大學(xué)圣第亞哥分校和南加州大學(xué)。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(xué)院進(jìn)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(jì)念阿爾文的杰出貢獻(xiàn)，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(xué)獎(jiǎng)之前，雖然科學(xué)界同行普遍引用其工作，于阿爾文本人卻鮮有認(rèn)識。這其中的原因值得我們深思。在阿爾文的早期學(xué)術(shù)生涯中，由于阿爾文思想超前，他的許多觀點(diǎn)都被主流科學(xué)界所排斥，使得他的許多重要貢獻(xiàn)不得不發(fā)表在非主流雜志上。比如他和當(dāng)時(shí)的地球物理學(xué)界權(quán)威Chapman之間關(guān)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的電流，最終證實(shí)了阿爾文的觀點(diǎn)。
阿爾文畢生都保持著對等離子體物理學(xué)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(jiān)持從物理學(xué)基本原理出發(fā)研究問題，阿爾文本人將他的這種科學(xué)品質(zhì)歸因于童年時(shí)代的經(jīng)歷。在科學(xué)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(dǎo)阿爾文發(fā)現(xiàn)了磁流體力學(xué)波，開創(chuàng)了磁流體力學(xué)的新領(lǐng)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(xué)界的各種壓力，有人甚至寫信嘲諷。直到物理學(xué)界的權(quán)威費(fèi)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(xiàn)。對于科學(xué)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(fù)有心人，阿爾文晚年時(shí)得到了科學(xué)界的極大肯定和無數(shù)榮譽(yù)，包括英國皇家天文學(xué)會金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢?967）、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1970）、美國富蘭克林研究所富蘭克林獎(jiǎng)?wù)拢?971）、前蘇聯(lián)科學(xué)院羅蒙諾索夫獎(jiǎng)?wù)拢?971）。他還是歐洲物理學(xué)會、瑞典皇家科學(xué)院、美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院、前蘇聯(lián)國家科學(xué)院、美國國家科學(xué)院會員。
成名之后阿爾文并沒有離開學(xué)術(shù)，一直致力于從磁流體力學(xué)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(xué)界認(rèn)為磁流體力學(xué)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(jié)構(gòu)和演化史》、為我們提供了一幅獨(dú)特的物理圖景，也許在不遠(yuǎn)的將來，科學(xué)的發(fā)展將證明阿爾文的視角是正確的。
同其他科學(xué)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(gè)溫馨的大家庭；阿爾文性格幽默、興趣廣泛、如同他在科學(xué)界中的創(chuàng)新一般充滿活力、熱愛旅游與冒險(xiǎn)；他還廣泛涉獵科學(xué)史、東方哲學(xué)、宗教等領(lǐng)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(xué)不僅是一門學(xué)問，也應(yīng)該是一種生活，或許真正的生活才是真正的科學(xué)研究。正如T. G. Cowling在《宇宙電動(dòng)力學(xué)》出版之際所評價(jià)的那樣“阿爾文是斯德哥爾摩的電氣工程師”，真實(shí)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(xiàn)
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