Hannes Olof G sta Alfvén，瑞典電力工程師，磁流體力學的創(chuàng)始人，1970年諾貝爾物理學獎得主。

除了諾貝爾獎以外，Alfvén還曾獲得英國皇家天文學會金質(zhì)獎章、美國的富蘭克林獎章和前蘇聯(lián)科學院的羅蒙諾索夫金質(zhì)獎章等重磅的國際科學表彰，是迄今為數(shù)不多的幾位，既獲得了英美科學界大獎，又獲得了前蘇聯(lián)科學界大獎的科學家。

在如今學科愈發(fā)專業(yè)化和細分化的科學界，Alfvén被看作是一個“神秘人”、一個“異端”。很大程度上，這樣的看法來源于他對自己的認知——哪怕已經(jīng)成為了世界聞名的等離子體物理和空間物理領域的大拿，同時在瑞典和美國兼任講席教授，他還是認為自己是一名電力工程師。

圖注：太陽就是一個復雜的磁流體力學系統(tǒng)，熾熱涌動的等離子體產(chǎn)生的種種物理過程，如今仍然充滿未知。

Alfvén的學術成果遍布宇宙學、天體物理學、等離子體物理學、行星際與磁層物理學等領域。他的研究闡明了地球輻射帶的產(chǎn)生、地磁場在磁暴期間的表現(xiàn)、地球磁層的形態(tài)、彗尾的產(chǎn)生、太陽系的起源、全銀河系等離子體的特征等一系列重要的科學問題，在包括帶電粒子加速器、可控核聚變、超音速飛行、火箭發(fā)動機、飛船返回艙的大氣剎車在內(nèi)的諸多工程領域得到廣泛的應用。

然而，學術界畢竟是一個講究“同行評議”的地方。他當初并不被學界主流接受，被同行視作為“異端”，受到嚴重的打壓。今天，他的學術成果已經(jīng)深入到物理學前沿研究的方方面面，然而很多人卻并不知道他們?nèi)粘Ｊ褂玫目茖W理論，來自于Alfvén。

當然，Alfvén并不是輕易服輸?shù)娜?，他手握真理，嚴謹推論，當然要在物理學中打出一片天地來。

1

“當然”

Alfvén最關鍵的學術貢獻，在于磁流體力學的創(chuàng)立和磁流體波的發(fā)現(xiàn)。磁流體波是磁場和磁流體相互作用產(chǎn)生的、在高電導率介質(zhì)中傳播的一種周期運動。太陽中高溫電離的氣體，或者彌漫整個宇宙的等離子體都是磁流體波。當導電流體在磁場中運動時，根據(jù)法拉第電磁感應定律，此時在流體中會產(chǎn)生感生電場和感應電流，而電場和磁場的相互作用又要改變流體的運動，這樣，磁場和流體運動交替作用的結果使某一部分具有初速流體的運動狀態(tài)向它的周圍傳播出去，在流體中產(chǎn)生一種新的周期運動形式，即磁流體波。

圖注：Alfvén波，磁流體波中的一種，命名用于紀念Alfvén。圖中的紅色是電子，綠色為離子，黃色為電位，橙色為平行電場數(shù)據(jù)，粉色為電荷密度，藍色為磁感應強度。可見，在圖的最右邊出現(xiàn)了磁流體波的形態(tài)，即電荷密度和磁場的周期運動。

但是，學過電磁學，學過麥克斯韋方程的人，會立刻認識到這個理論的問題。

高電導率的介質(zhì)里，怎么會有電磁的波動呢？

我們都知道，高電導率的介質(zhì)，是屏蔽電磁波的，電磁波只能進入高電導率介質(zhì)表面穿透非常淺的一小段距離，這一小段距離與電磁波的波長有關，波長越短，電磁波能量越高，穿透距離就越短。并且當介質(zhì)電導率越大時，穿透距離越小。

這也正是當時的學界質(zhì)疑Alfvén理論最主要的問題所在。空間中的等離子體電導率理論上是趨向于無窮大的，電磁波在空間等離子體中的穿深也應該趨向于無窮小?，F(xiàn)在Alfvén卻告訴大家，有一種電磁波竟然能夠在這種理想導體中傳播！

Alfvén于1942年試圖發(fā)表他的研究論文，不出意外，被拒稿了——這個研究成果在審稿人看來，連麥克斯韋方程組都沒學好。

在這些年間，Alfvén到處宣傳他的學術觀點，在很多個大學里做講座，但是大家都不信，都質(zhì)疑他。直到有一天，他第一次去美國訪問，在芝加哥大學，做一次報告。

這次，臺下有位重磅的科學家，Enrico Fermi，也就是費米，費米子的那個費米。

圖注：Enrico Fermi（1901-1954），世界第一顆原子彈的制造者，理論、實驗物理雙料科學家，1938年諾貝爾物理學獎得主。主要成就實在太多，不一一贅述。

費米聽完Alfvén的報告，點點頭，說道：“當然。”

于是第二天，全世界的物理學家，都說：“當然，就應該是這樣”，并認可了Alfvén的磁流體力學和磁流體波。

后來，阿爾芬因磁流體力學獲得了諾貝爾物理學獎。

實際上，現(xiàn)在回頭來看，磁流體波確實不能作為電磁波，從外界進入等離子體。但是，磁流體波卻可以從等離子體內(nèi)部產(chǎn)生，并沿著磁力線傳播?？紤]到這整個宇宙，都彌漫著等離子體，磁流體波實際上是一種非常普遍、非常重要的周期運動。

2

圖注：Sydney Chapman，英國數(shù)學家和地球物理學家。

Alfvén剛剛開始研究地球磁層物理學的時候，磁層物理學的主流觀點，屬于Sydney Chapman。

Chapman認為，地球電離層的電流體系，沒有地向（向下）的成分。作為數(shù)學家的Chapman給出了非常優(yōu)雅的數(shù)學推導，內(nèi)部邏輯非常自洽。因此，學界大部分都支持他的觀點。

但在Chapman之前，挪威著名科學家Kristian Birkeland基于大量的事例研究、實驗和遍及整個世界的地磁臺站記錄持不同的觀點——他認為，電離層中的電流體系，存在沿著地球磁力線地向流動的部分。極光等現(xiàn)象都是與這部分電流體系密切相關的。

圖注：Kristian Birkeland，挪威著名科學家，曾被提名諾貝爾獎多達7次。他最著名的學術成果是闡明了極光的機理。此外，為了獲得研究極光的資金，他還發(fā)明了“線圈炮”，也就是“高斯槍”，以及從空氣中固氮的伯克蘭-艾德電弧法。

Alfvén生活在Chapman的理論占據(jù)主導的時代，但他還是認為老前輩Birkeland的解釋更為合理。Alfvén認為，這種地向的電流體系，應該是整個地球電離層大部分電流體系的主要驅(qū)動力量。

但是人類的認識是嚴重受到生產(chǎn)力發(fā)展的制約的。在Alfvén繼承并提出Birkeland觀點的年代，人類還從未進入過太空，不知道太空中有什么。從地面上看來，太空中理所當然是空無一物的，很多科學家都認為太空中應當是良好的真空，僅僅偶爾有一些流星劃過。既然是真空，在遠離大氣層的地球磁層中，哪里來的電流？根本就連載流子都沒有嘛！何況，Chapman給出的數(shù)學表述是如此優(yōu)雅簡潔自洽。

1939年，Alfvén從Birkeland的解釋出發(fā)，結合了自己等離子體動力學的知識，詳細描述了在地球磁層中電子和離子如何圍繞地球磁力線運動并產(chǎn)生地向電流的物理過程。他把稿件投給了一家美國著名的雜志社，然而他的論文直接就被拒稿了，因為他完全沒有應用Chapman及其學派推導出來的理論模型。迫于無奈他只好把論文投到了瑞典本地的一家雜志上，影響力極為有限。

圖注：Birkeland和Alfvén這一派人所主張的地球電流體系的示意圖。電流沿著地球磁場，從兩個磁極向地面方向（電離層和中性大氣）注入。

這種學術排擠，在學術界倒確實是司空見慣。直到1974年，Chapman去世后的4年，人造地球衛(wèi)星首次測量到了地向的電流，學界才終于承認Alfvén的理論的正確性。

Alfvén因為長年跟Chapman為代表的英美科學家“打仗“，所以遭受了大量的打壓。很多由Alfvén提出的理論，都不為人知。他曾經(jīng)透露，他的學術文章根本不被英美科學雜志接受，但在前蘇聯(lián)的雜志上發(fā)表倒十分順利。

美國的地球物理權威雜志Geophysical Research Letters的主編Dessler回憶道：他十分羞愧地發(fā)現(xiàn)，他一直以為由費米于1949年提出的宇宙射線加速機制，實際上在更早之前Alfvén提出了類似觀點。但學界幾乎無人提到這一點。

好在，Alfvén足夠長壽，他在有生之年看到了自己的正確理論發(fā)揚光大。

3

電力工程師才是核心

Alfvén頗具才華，在多個學科都有建樹。此外Alfvén通曉瑞典語（母語）、英語、德語、法語和俄語，還會說一點西班牙語和中文。和那個年代的許多科學家一樣，他也致力于通過組織和協(xié)商全世界科學家共同體來推進世界的和平，避免武裝沖突和全球性的威脅。他曾擔任“帕格沃什科學和世界事務會議”的主席，該組織后來獲得了諾貝爾和平獎。

但他依然覺得自己本質(zhì)上是個電力工程師，并引以為傲，特別喜歡用自己的職業(yè)來批評頑固守舊的天體物理學家——當然，這反過來讓他更為不合群了。

他認為，他那個年代的天體物理學家拘泥于課本上的內(nèi)容，不愿意接受新知識。明明宇宙中絕大部分物質(zhì)都是等離子體，但這些天體物理學家卻拒絕考慮這些物質(zhì)，連最基本的電流回路、磁層物理知識和等離子體知識都不具備。他十分懷疑那些天體物理學家是否能看懂射電天文望遠鏡的數(shù)據(jù)。

根據(jù)他的統(tǒng)計，當時的17部最主流的天體物理教材，沒有任何一部包含了穿刺效應（由Bennet提出）、離子臨界速度；其中有兩部包括了關于電流回路的知識，有三部提及了等離子體的雙層結構（由Langmuir提出）。

在他的宇宙模型中，由于形形色色的等離子體，以及等離子體的運動產(chǎn)生的磁場，整個宇宙都受到等離子體的重大影響。這些理論后來當然都逐漸被認可，但在當時的英美學界卻無人問津——倒是前蘇聯(lián)學界很喜歡這些，因為可以用來攻擊英美學界的大爆炸宇宙模型（當然后來也成為了修正大爆炸宇宙模型的材料）。

他呼吁學界，要重視自然哲學的研究，不要讓學科間的門戶之見、貪婪和對未知的恐懼侵蝕了學術界的求知欲望，一定要勇于搞學科交叉。

畢竟他一個電力工程師，最終也是獲得了諾貝爾獎的。

圖片與參考資料：

1.維基百科詞條：

https://en.wikipedia.org/wiki/Hannes_Alfv%C3%A9n

2. Plasma Universe雜志人物頁面：

https://plasmauniverse.info/people/alfven.html

3.諾貝爾獎官方網(wǎng)站：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1970/alfven/biographical/

編輯：萬鵬 美編：許宏璽

校對：張騰飛 劉淇郡