H·阿尔文的卓越贡献和他对科学美的崇尚

朱爱国

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

H·阿尔文的卓越贡献和他对科学美的崇尚

朱爱国

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

本文就汉南斯·阿尔文的生平简历、物理学上的卓越贡献，以及他信奉科学美的风范作一简要的介绍。

阿尔文；科学美

对于汉南斯·阿尔文（H·AIfven）来说，他应该主要属于爱因斯坦所说的“超脱型”科学家，即“科学艺术家”。因为他有志于探索宇宙的和谐与对称；追求物理科学创造中的艺术性，力求用一种简练、合乎逻辑的精美科学语言——数学来构建他的理论体系，即追求、创造着科学美；具有真正的深沉的科学美感，能领略到科研对象、科研成果美的真谛。正因为如此，阿尔文的一生硕果累累，尤其是他在开展磁流体动力学（MHD）研究方面走在了世界的前列。现特作如下论证：

1 辉煌的人生简历

阿尔文于1908年5月30日出生于瑞典诺尔库平（Norrkoping）。自1926年起，阿尔文在乌普萨拉大学学习，1934年获得博士学位，同年成为物理讲师，1937年为斯德哥尔摩诺贝尔物理学院研究物理学家，1940年为斯德哥尔摩皇家工学院电学理论教授，1945年为电子学教授，1963年为等离子物理学教授，1967年成为美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校教授。

阿尔文不仅是瑞典科学院和瑞典工程学院的两院院士，而且是美国国家科学院和其它一些科学机构的外籍成员，他先后于1967年和1971年分别荣获英国皇家天文学会的金质奖章，以及前苏联科学院的罗蒙诺索夫金质奖章。特别值得一提的是，由于阿尔文的杰出贡献——创立和发展了在地球乃至整个宇宙均显示出了巨大意义的物理学新分支——磁流体动力学，使得他和法国人路易·尼尔分享了1970年度的诺贝尔物理学奖金。

阿尔文是瑞典科学咨询委员会成员，任普格沃什科学和世界事务会议主席。他热爱和平，常常提醒人们千万要警惕来自于与原子能和原子弹有关的威协。

阿尔文除了以日记形式出版了有关他的早期研究的工作报告外，还著有 《宇宙电动力学》（1948 年）、《太阳系起源》（1956 年）、《宇宙电动力学基本原理》（1963年与法尔塞马合著）、《世界和反世界：宇宙中的反物质》（1966年）、《太阳系的结构和演变史》（1975年与阿尔亥涅合著），以及一些非技术性书籍等。

2 显赫的科研成果

我们知道，磁流体动力学研究的是导电液体的运动与磁场的相互作用，特别是MHD的分布等离子物理，而等离子物理所涉及的液体是含有近于相等的正负电荷粒子的高度离子化的液体。阿尔文的主要贡献是阐明了等离体的物理特性，侧重于探索星系、地磁场以及星际和宇宙中的等离子体，并将他的理论建立在受控热核聚变中遇到的实验室等离子体研究的基础上。

阿尔文证明在适当的条件下磁场线被 “冻”成等离子态，因此一个等离子体运动时，磁场也随着它运动。实际条件是磁雷诺数比1大得多，而且等离子需足够密以使得电子的平均自由程小于等离子体尺寸。在地球物理和天文物理中遇到的大规模等离子体常常但不总是满足这些条件。

1942年阿尔文提出由太阳系组成的等离子体中角动量向外传递趋向于使距离中心的所有不同间距的角速度相等，这样就成功地解释了为什么几乎太阳系中所有角动量聚中在星球而不是太阳。1943年阿尔文使用刚性特征圆满解释了为什么太阳黑子物质比围绕它的物质密积得多而不降到自身重量以下。

因为等离子体基本上胶着在磁场线上，所以后者作用就象拉紧的弹性绳一样。1942年阿尔文推断一个等离子体可以传播横向水磁波，这波就是磁流体动力波，也就是“阿尔文波”。凡被认定是沿这些绳子传播的振动，便可使用这个模拟来计算波速。签于电磁波不能在导磁介质中传导这个错误概念，而且似乎实验证实没有这样的波存在，阿尔文的这一发现被弃置了几年。直到在阿尔文实验室工作的伦德奎斯特和勒厄特分别于1949年和1954年在液态金属中，先后观察到了“阿尔文波”之后又过了数年，即1959年，人们才首次使用等离子体解释了这个现象。同时还用它们来解释地磁场和地球表面上用磁力线连接的很远两个点之间磁扰动的密切关系。由于阿尔文的纯横向波的引入和其它许多等离子体波的相继被发现，这就导致了等离子体色散特性的研究。

阿尔文也提出了一个微扰理论来描述带电粒子在电场和磁场中的运动。在这个理论中，粒子被认为是围绕一定向中心作圆周运动，而此中心就是运动中的粒子本身。这个理论适用于渐变磁场，即磁场变化的范围内距离明显比圆周轨道半径大得多。阿尔文推论在这样的磁场中，圆周轨道以包含在轨道中的磁通量近似不变的方式膨胀或收缩。对一个非相对论粒子，这意味着粒子的磁动量也近似不变。阿尔文还推出了决定定向中心漂移运动的方程。定向中心近似与前述的“冻结”场线的概念一级近似一致，一级近似就是定向中心沿场线运动。

1939年阿尔文把这个近似应用到磁暴和极光的研究中，指出地磁场中的粒子增加磁场反射并沿场线来回振动。磁镜概念后来成为受控热核聚变约束等离子体的基本方法之一。阿尔文也引入了由俘获粒子形成的环电流概念。

尽管阿尔文的许多理论成果曾一度受到冷遇，甚至遭到排斥。但是，物理科学发展的实践表明，他的理论具有伟大的现实意义。如用他提出的磁流体动力学理论，就能够很好地解释约束极热等离子体的实验中所呈现出的这些等离子体的许多不稳定性，并被物理学家用来寻找如何避免出现最差情况的方法。阿尔文的理论也能解释宇宙飞船所观察到的许多现象，例如冯·阿伦带。空间物理学家广泛使用这些理论以致于阿尔文不得不提醒人们提防应用不当。他强调当在低密度等离子体中形成静电偶层时，冻结图形不再适用，而且如果不注意这个限制条件，使用它会很容易导致错误结论。

阿尔文曾明确地提出：“等离子体知识对于我们理解太阳系的起源和演化也是很重要的，因为我们有充分的理由相信，现在构成天体的那些物质曾经是以等离子态分布着的。”据此，从50年代后期，他又重新从事太阳系起源问题的研究，并于70年代初提出了一个与人们普遍接受的“大爆炸”宇宙理论相冲突的宇宙学说。关于这个问题，我们将在下文中作进一步讨论。

3 深沉的科学美感

科学美感是科学审美主体所体验到的一种心理感受，即如同爱因斯坦所说的：“灵魂沉醉喜悦中的强烈战栗”。它与科学创造的主体的自身条件有着不可分割的联系。大自然的和谐与秩序不可能完全呈现于外在现象，而是包含于内在联系之中。科学创造的主体要想体验到这种内在的美，不仅要求有渴望美、欣赏美的激情，还要有一种透视内涵的能力，即对自然规律的理解力和直觉判断力。也就是费曼所宣称的“干物理得有鉴赏力”。这种鉴赏力的心理机制就在于“灵魂一见到美的东西就感到敬畏而战栗，因为它感到有某种东西在其中被唤起，那不是感官从外部曾经给予它的，而是早已一直安放在深沉的无意识的境域。 ”（海森堡语）。

对于具有深沉的科学美感的阿尔文来说，比之于彩虹等自然现象的可见的美而言，基本物理定律所具有的那种可想而不可见的美更为重要，也更为诱人。然而，要真正对自然界这种深奥的美有切身的感受，没有数学是办不到的，因为它是纵贯于物理学的基本定律上的对称性、守恒定律等一些核心概念来体现的。据此，阿尔文才深有体会地说：“象画家运用色调，雕刻家利用石膏，音乐家通过音符来表达自己的见解和感受一样，科学家们是通过似乎是周围的浓缩物的公式和定理来表现自己的高水平的美感的。理论家们向自己的同行提出自己的新公式时所可能博得的最高的评价，便是同行们一声惊呼：‘漂亮极了！’构成某种理论的若干概念的总和，应当极为扼要地表达出来。因此，科学需要一种能够简练地、合乎逻辑地表达的语言，这种语言便是数学”。正是出自于“对于数学神秘力量的信仰”（薛定谔语），阿尔文渴望着用数学的语言、逻辑的体系去完备地、统一地、简单地构造出整个和谐的宇宙图景。并以此来表达自己深沉的、高水平的科学美感，所以阿尔文的理论充斥着数学美。如上文所提及的微扰理论中决定定向中心、漂移运动的方程就是一个数学美的力作。

此外，阿尔文在关于如上所述的太阳系起源问题的研究中，基于他对贯穿于物理学的基本定律之上的对称性的执着追求，立足于从宇宙的物质与反物质量相等出发，来建立他的宇宙论。其具体过程是这样的：人们通常认为太阳系的起源应包括一个过程，在这个过程中一个磁化的等离子体浓缩成小固体微粒，而这些微粒逐渐堆积成为较大的物体。阿尔文认为小行星、慧星和流星在堆积过程中比大行星和卫星早出现相当长的时间，他主张宇宙飞船到小行星和慧星上去旅行会获得在别处可能没有的关于这个过程的信息。1973年他提出这过程也许在来自陨石的慧星堆积中继续，这是一个与普遍接受的观点相反的意见。阿尔文改进了由奥斯卡·克莱恩提出的建议，即认为宇宙在某种意义上应是对称的。并以此为核心构建了他的宇宙学说。

概而言之，作为“科学艺术家”的阿尔文，不仅以他在磁流体动力学研究方面的卓越贡献，推动着当代天体物理、地球物理、受控热核反应映等研究领域的发展；而且他的科学美学思想对当代物理学家也产生了不可估量的巨大影响，随着现代物理学表述的日趋数学化、形式化和抽象化，随着当今人们正在探寻更广泛更深刻的对称性，特别是到宇宙太空中去寻找反物质，这种影响越来越明显，越来越强烈，越来越深远，正如杨振宁所说：追求数学美是“鼓舞物理学家的充沛源泉”，“我深信，把对称性原理继续推广下去的想法，将是21世纪理论方面的重要发展方向。”

[1]上海物理学会、《世界科学》编辑室编.诺贝尔奖金获得者讲演集--70年代物理学[M].上海:上海知识出版社,1986,6-17.

[2]徐辅新，程民治著.自然科学美学[M].合肥:安徽教育出版社，1992，3-18.

THE OUTSTANDING CONTRIBUTION OF H·ALFVEN WHO BELIEVES IN SCIENCE BEAUTY

ZHU Ai-guo
（Department of Physics and Electronic Science,Chohu College,Chaohu Anhui 238000）

For H Aifven′s life,the outstanding contributions to physics,as well as his belief in the scientific were introduced briefly.

Aifven;Science beauty

A

1672－2868（2011）03－0054－03

2011-1-15

朱爱国（1982-），男，安徽安庆人。硕士，讲师，研究方向：大学物理与物理实验教学

责任编辑：宏 彬