磁流体力学之父—阿尔文

李兵

（中国科学院紫金山天文台，江苏南京 210008）

在等离子体物理学发展史上，有许多为之做出过贡献的科学家。毫无疑问朗缪尔（Irving Langmuir），郎道（Lev Davidovich Landau），阿尔文（Hannes Alfv n）是他们中的杰出代表。等离子体物理学主要存在两种研究方法，一种是流体的方法，另一种是动理论的方法。早在等离子体物理学建立前，法拉第就从流体力学的角度研究了带电流体，可谓是磁流体力学（Magnetohydrodynamics）的发端。直到阿尔文在上世纪四十年代至五十年代一系列在磁流体力学方面的开创性工作和发现，及其在等离子体物理学中卓有成效的应用，磁流体力学才真正成为物理学的一个重要分支，阿尔文也因此而获得1970年的诺贝尔物理学奖。

H. 阿尔文

1 阿尔文生平及其主要学术贡献

阿尔文于1908年5月30日出生于瑞典Norrkoping，年轻时的阿尔文就已经表现出了对天文学和天体物理学的浓厚兴趣。作为阿尔文最亲密的合作者Carl-Gunne Falthammar曾经说起有两件事情深深影响了阿尔文早期的智力发展和最终的科学生涯^[1]。第一件是弗拉马里翁（Camille Flammarion）的《大众天文学》激起了阿尔文对天文学和天体物理学的兴趣。第二件是阿尔文中学时代在学校的无线电俱乐部十分活跃，他曾经制造了若干无线电接收器。由此可见阿尔文在电磁学上的天赋在中学时代就已经崭露头角。

Falthammar这样评价阿尔文，“作为一个科学家，阿尔文倾向于从电磁学角度分析天体物理问题，这的确是富有成效的方法”。阿尔文一生的主要贡献集中在行星际与磁层物理、磁流体力学、宇宙学等领域。

在阿尔文的早期学术生涯中（1931年-1941年），阿尔文围绕银河系内行星际空间宇宙射线的计量与起源做了大量研究。为了处理带电粒子在电磁场中的复杂运动，阿尔文首先提出带电粒子引导中心的概念，为解释宇宙射线，基于引导中心的概念他提出，银河系可能存在一大尺度的磁场，磁场俘获带电的宇宙射线粒子，使得它们在近似为圆的轨道上运动。即使只有小部分的电离气体存在，它在磁场中产生的电流足以产生星际磁场。因此，弱磁场必定充满整个银河系。正是星际的电磁场支配着地球附近发生的现象，辐射带极光、磁暴及彗尾都因此的到了完美的解释^[2,3]。然而当时科学界的主流认为星际空间除了“真空”，什么都不存在，更不要说磁场了。阿尔文也因此一直得不到科学界的足够重视，可他从没有放弃，一直在坚持，直到1974年人造地球卫星首次观测到星际磁场和地球磁层电流后阿尔文的想法才得到证实。1934年，阿尔文获得乌普萨拉大学博士学位，博士学位论文题为《Investigations of the Ultra-short Electromagnetic Waves》，同年他被任命为乌普萨拉大学物理学讲师。

阿尔文一生中许多最重要的贡献是在他的黄金时期二十世纪四十年代到五十年代完成的，其中阿尔文波的发现开创了磁流体力学的新领域，堪称科学史上的佳话。阿尔文有着天才般的直觉和敏锐的洞察力，善于从复杂具体问题中挖掘主要矛盾。阿尔文首先注意到，当导电流体在磁场中运动时，会产生感应电流，感应电流又与磁场反作用于导电流体，这构成了磁流体力学的基本思想。1942年，为了解释太阳黑子他首次提出了冻结效应并预言了磁力线与导电流体的耦合将产生一种新的波--阿尔文波^[4,5]。阿尔文波是存在磁场时导电流体中所特有的一种波动。这种波类似在绷紧的弦中传播的横波，沿着磁力线方向传播。更准确的说是阿尔文所预言的这种波是剪切阿尔文波。众所周知根据麦克斯的电磁理论，电磁波在导体中无法传播，只能渗透导体表面一个原子尺度的量级。当阿尔文提出在导电的等离子体中存在能传播的阿尔文波后，科学界普遍持怀疑态度。

1948年阿尔文第一次前往美国，受芝加哥大学邀请做了几场磁流体力学的演讲，芝加哥大学教授著名物理学家费米（Enrico Fermi）在了解阿尔文的工作后，情况才出现了转机^[2]。前美国Geophysical Research Letters杂志编辑亚利桑那大学（University of Arizona）教授Alex Dessler这样调侃道，当阿尔文演讲完毕后，费米点了点头说：“噢，这种波当然存在”。第二天整个物理学界都说：“噢，那当然”。之后各种各样的等离子体波才相继被发现。在实验室环境中，阿尔文波的观测实验最先是阿尔文的学生Lundquist在金属导电流体水银里实现的^[6,7]。

1942年在阿尔文波提出后，宇宙学渐渐吸引了阿尔文的兴趣。阿尔文初步提出了太阳系行星形成理论^[8]。他认为太阳系内的天体都是由一个高度电离的气体云形成的。太阳一形成就有很强的磁场，其周围的高温电离气体云因冷却而还原成中性态，并因太阳的引力而下落。当下落的动能超过电离能时，由于碰撞而再度电离，并在离太阳一定距离处停止下落。根据各元素的电离电势，阿尔文算出在离太阳不同距离处先后形成大小不等的四个物质云。太阳系中的行星、卫星都分别由这四个云中的物质凝聚而成。阿尔文的理论成功解释了引力理论所不能解释的为什么太阳系的角动量聚集在行星而不是太阳。虽然目前主流的太阳系形成理论认为相比引力而言，磁流体力学过程起着非常小的作用，但是阿尔文的思想对于我们进一步认识太阳系的起源无疑具有十分重要的启发作用。

1950年，阿尔文总结进二十年的磁流体力学研究工作，出版了《宇宙电动力学》（Cosmical electrodynamics），该书是现代等离子体物理学的经典著作，她的出版标志着磁流体力学真正成为现代物理学的一个重要分支，阿尔文也以 “磁流体力学之父”而享誉世界。如今“磁流体力学”已经普遍应用于热核聚变等离子体、实验室等离子体、空间等离子体以及天体物理等离子体，成为等离子体物理学的一个重要分支。同年，阿尔文和其同事Herlofson首先指出许多来自宇宙的非热辐射是高能相对论性电子在磁场中运动产生的同步辐射^[9]，这又是阿尔文的另一个重要贡献。五十年代期间，阿尔文致力于推广磁流体力学在宇宙射线、极光、太阳磁场等领域做了大量的完善与总结工作^[10,11,12]，为磁流体力学的发展与应用做出了许多卓有成效的贡献，是当之无愧的“磁流体力学之父”。

自二十世纪四十年代起太阳系起源逐渐吸引了阿尔文的兴趣，六十年代后阿尔文的主要研究领域已经基本集中在宇宙学与太阳系起源等问题上。阿尔文致力于从基本的物理学规律出发研究问题，倾向于从电磁角度分析天体物理问题，对于太阳系的起源同样如此。阿尔文曾公开反对宇宙大爆炸理论，他明确表示：“等离子体知识对于我们理解太阳系的起源与演化也是很重要的，因为我们有充分理由相信，现在构成天体的物质曾经是以等离子体状态分布着的。”在研究太阳系起源与演化问题中阿尔文秉承对称性的基本原理，从宇宙的正物质与反物质量相等出发构建他的宇宙体系。1966年出版的《世界与反物质：宇宙中的反物质》（Worlds-Antiworlds: Antimatter in Cosmology）一书集中体现了他对物理学美感的执着追求。与Arrhenius合著有一系列关于太阳系起源的论文， 1975年出版了《太阳系结构与演化史》（Structure and evolutionary history of the solar system）一书是其多年研究成果的总结。

阿尔文是一位向往和平的科学家。最初，他支持开发原子能，为人类造福，但后来他逐渐认为，不仅是核武器，就是“和平”利用原子能都是不可接受的，此后，他一直参加反核武器运动。他曾经建议瑞典政府永远不要使用当时正在建造的核反应堆，而用传统燃料驱动那座核反应堆的涡轮机。在同瑞典政府发生多次意见分歧后，1967年阿尔文做出了艰难的决定，选择了离开。他如是写到，“My work is no longer desired in this country”。他马上收到了前苏联和美国抛来的橄榄枝，在前苏联渡过两个月后，他最后来到了美国，任职于加州大学圣第亚哥分校和南加州大学。随后他对自己心爱的祖国做出了妥协，每年仍定期回斯德哥尔摩的皇家工程学院进行研究工作。

1995年4月2日，阿尔文于斯德哥尔摩逝世，享年86岁，长眠于他深深热爱的祖国。为了纪念阿尔文的杰出贡献，第1778号小行星被命名为“阿尔文”。

2 阿尔文留给后人的启示

阿尔文的一生，曲折中充满辉煌；平淡中充满传奇。可以说在1970年获得诺贝尔物理学奖之前，虽然科学界同行普遍引用其工作，于阿尔文本人却鲜有认识。这其中的原因值得我们深思。在阿尔文的早期学术生涯中，由于阿尔文思想超前，他的许多观点都被主流科学界所排斥，使得他的许多重要贡献不得不发表在非主流杂志上。比如他和当时的地球物理学界权威Chapman之间关于地球极光和磁暴的形成的争论，使得他长期得不到重视。难能可贵的是即使如此，阿尔文初心不改、持之以恒，以他的行动捍卫着真理之光。直到Chapman逝世四年后的1974年，人造地球卫星才观测到地球磁场中向下运动的电流，最终证实了阿尔文的观点。

阿尔文毕生都保持着对等离子体物理学的浓厚兴趣，有着深刻的洞察力和敏锐的物理直觉，而且始终坚持从物理学基本原理出发研究问题，阿尔文本人将他的这种科学品质归因于童年时代的经历。在科学研究中物理直觉也许不是最重要的，但绝对不可缺少。正是这种敏锐的直接引导阿尔文发现了磁流体力学波，开创了磁流体力学的新领域。然而在提出阿尔文波的近十年中，阿尔文却饱受来自科学界的各种压力，有人甚至写信嘲讽。直到物理学界的权威费米在了解阿尔文的工作后，同行们才开始重视阿尔文的发现。对于科学界的同行评审制度，无疑阿尔文是受害者之一，其中的弊利可见一斑。

功夫不负有心人，阿尔文晚年时得到了科学界的极大肯定和无数荣誉，包括英国皇家天文学会金质奖章（1967）、诺贝尔物理学奖（1970）、美国富兰克林研究所富兰克林奖章（1971）、前苏联科学院罗蒙诺索夫奖章（1971）。他还是欧洲物理学会、瑞典皇家科学院、美国艺术与科学学院、前苏联国家科学院、美国国家科学院会员。

成名之后阿尔文并没有离开学术，一直致力于从磁流体力学角度出发发展他早期的太阳系演化理论，虽然主流天文学界认为磁流体力学过程在大尺度的宇宙演化问题上是不重要的，他仍孤军奋战，同其合作者完成了长篇巨著《太阳系的结构和演化史》、为我们提供了一幅独特的物理图景，也许在不远的将来，科学的发展将证明阿尔文的视角是正确的。

同其他科学大师一样，阿尔文的一生生活在争论中。阿尔文的生活并没有受到影响，他拥有一个温馨的大家庭；阿尔文性格幽默、兴趣广泛、如同他在科学界中的创新一般充满活力、热爱旅游与冒险；他还广泛涉猎科学史、东方哲学、宗教等领域，并且通晓瑞典语、英语、德语、法语、俄语，还会讲一些西班牙语和汉语。科学不仅是一门学问，也应该是一种生活，或许真正的生活才是真正的科学研究。正如T. G. Cowling在《宇宙电动力学》出版之际所评价的那样“阿尔文是斯德哥尔摩的电气工程师”，真实写照了阿尔文辉煌的一生。

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

 

参考文献

[1] Falthammar C G. The discovery of magnetohydrodanamic waves. Journal of Atmospheric ？？？？？？？and Solar-Terrestrial Physics, 2007, 69(14): 1604-1608

[2] Alfv n H. Origin of cosmic radiation, Nature, 1933, 131(3313): 619-620

[3] Alfv n H. On the motion of cosmic rays in interstellar, Physical Review, 1939, 55(5): 425-429

[4] Alfv n H. Existence of electromagnetic–hydrodynamic waves, Nature, 1942,150(3805): 405–406

[5] Alfv n H. On the existence of electromagnetic–hydrodynamic waves. Arkiv for Matematik Astromoni och Fysik. 1942. 29B (2): 1–7

[6] Lundquist S. Experimental demonstration of magnetohydrodynamic waves, Nature, 1949, 164(4160): 145–146

[7] Lundquist S. Experimental investigations of magnetohydrodynamic waves, Physical Review, 1949, 76(12): 1805–1809

[8] Alfv n H. On the cosmogony of the solar system, Stockholms Observatoriums Annaler, 1942. 14(2):1–33

[9] Alfv n H, Herlofson N. Cosmic radiation and radio stars, Physical Review, 1950, 78(5): 616-616

[10] Alfv n H. Discussion of the origin of the terrestrial and solar magnetic fields, Tellus, 1950, 2(2): 74-82

[11] Alfv n H, Martyn D F. The theory of magnetic stroms and aurorae, Nature, 1951,167(4259): 984-985

[12] Alfv n H, Lehnert B. The S