H·阿爾文的卓越貢獻和他對科學美的崇尚

朱愛國

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

H·阿爾文的卓越貢獻和他對科學美的崇尚

朱愛國

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

本文就漢南斯·阿爾文的生平簡歷、物理學上的卓越貢獻，以及他信奉科學美的風范作一簡要的介紹。

阿爾文；科學美

對于漢南斯·阿爾文（H·AIfven）來說，他應該主要屬于愛因斯坦所說的“超脫型”科學家，即“科學藝術家”。因為他有志于探索宇宙的和諧與對稱；追求物理科學創造中的藝術性，力求用一種簡練、合乎邏輯的精美科學語言——數學來構建他的理論體系，即追求、創造著科學美；具有真正的深沉的科學美感，能領略到科研對象、科研成果美的真諦。正因為如此，阿爾文的一生碩果累累，尤其是他在開展磁流體動力學（MHD）研究方面走在了世界的前列。現特作如下論證：

1 輝煌的人生簡歷

阿爾文于1908年5月30日出生于瑞典諾爾庫平（Norrkoping）。自1926年起，阿爾文在烏普薩拉大學學習，1934年獲得博士學位，同年成為物理講師，1937年為斯德哥爾摩諾貝爾物理學院研究物理學家，1940年為斯德哥爾摩皇家工學院電學理論教授，1945年為電子學教授，1963年為等離子物理學教授，1967年成為美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校教授。

阿爾文不僅是瑞典科學院和瑞典工程學院的兩院院士，而且是美國國家科學院和其它一些科學機構的外籍成員，他先后于1967年和1971年分別榮獲英國皇家天文學會的金質獎章，以及前蘇聯科學院的羅蒙諾索夫金質獎章。特別值得一提的是，由于阿爾文的杰出貢獻——創立和發展了在地球乃至整個宇宙均顯示出了巨大意義的物理學新分支——磁流體動力學，使得他和法國人路易·尼爾分享了1970年度的諾貝爾物理學獎金。

阿爾文是瑞典科學咨詢委員會成員，任普格沃什科學和世界事務會議主席。他熱愛和平，常常提醒人們千萬要警惕來自于與原子能和原子彈有關的威協。

阿爾文除了以日記形式出版了有關他的早期研究的工作報告外，還著有 《宇宙電動力學》（1948 年）、《太陽系起源》（1956 年）、《宇宙電動力學基本原理》（1963年與法爾塞馬合著）、《世界和反世界：宇宙中的反物質》（1966年）、《太陽系的結構和演變史》（1975年與阿爾亥涅合著），以及一些非技術性書籍等。

2 顯赫的科研成果

我們知道，磁流體動力學研究的是導電液體的運動與磁場的相互作用，特別是MHD的分布等離子物理，而等離子物理所涉及的液體是含有近于相等的正負電荷粒子的高度離子化的液體。阿爾文的主要貢獻是闡明了等離體的物理特性，側重于探索星系、地磁場以及星際和宇宙中的等離子體，并將他的理論建立在受控熱核聚變中遇到的實驗室等離子體研究的基礎上。

阿爾文證明在適當的條件下磁場線被 “凍”成等離子態，因此一個等離子體運動時，磁場也隨著它運動。實際條件是磁雷諾數比1大得多，而且等離子需足夠密以使得電子的平均自由程小于等離子體尺寸。在地球物理和天文物理中遇到的大規模等離子體常常但不總是滿足這些條件。

1942年阿爾文提出由太陽系組成的等離子體中角動量向外傳遞趨向于使距離中心的所有不同間距的角速度相等，這樣就成功地解釋了為什么幾乎太陽系中所有角動量聚中在星球而不是太陽。1943年阿爾文使用剛性特征圓滿解釋了為什么太陽黑子物質比圍繞它的物質密積得多而不降到自身重量以下。

因為等離子體基本上膠著在磁場線上，所以后者作用就象拉緊的彈性繩一樣。1942年阿爾文推斷一個等離子體可以傳播橫向水磁波，這波就是磁流體動力波，也就是“阿爾文波”。凡被認定是沿這些繩子傳播的振動，便可使用這個模擬來計算波速。簽于電磁波不能在導磁介質中傳導這個錯誤概念，而且似乎實驗證實沒有這樣的波存在，阿爾文的這一發現被棄置了幾年。直到在阿爾文實驗室工作的倫德奎斯特和勒厄特分別于1949年和1954年在液態金屬中，先后觀察到了“阿爾文波”之后又過了數年，即1959年，人們才首次使用等離子體解釋了這個現象。同時還用它們來解釋地磁場和地球表面上用磁力線連接的很遠兩個點之間磁擾動的密切關系。由于阿爾文的純橫向波的引入和其它許多等離子體波的相繼被發現，這就導致了等離子體色散特性的研究。

阿爾文也提出了一個微擾理論來描述帶電粒子在電場和磁場中的運動。在這個理論中，粒子被認為是圍繞一定向中心作圓周運動，而此中心就是運動中的粒子本身。這個理論適用于漸變磁場，即磁場變化的范圍內距離明顯比圓周軌道半徑大得多。阿爾文推論在這樣的磁場中，圓周軌道以包含在軌道中的磁通量近似不變的方式膨脹或收縮。對一個非相對論粒子，這意味著粒子的磁動量也近似不變。阿爾文還推出了決定定向中心漂移運動的方程。定向中心近似與前述的“凍結”場線的概念一級近似一致，一級近似就是定向中心沿場線運動。

1939年阿爾文把這個近似應用到磁暴和極光的研究中，指出地磁場中的粒子增加磁場反射并沿場線來回振動。磁鏡概念后來成為受控熱核聚變約束等離子體的基本方法之一。阿爾文也引入了由俘獲粒子形成的環電流概念。

盡管阿爾文的許多理論成果曾一度受到冷遇，甚至遭到排斥。但是，物理科學發展的實踐表明，他的理論具有偉大的現實意義。如用他提出的磁流體動力學理論，就能夠很好地解釋約束極熱等離子體的實驗中所呈現出的這些等離子體的許多不穩定性，并被物理學家用來尋找如何避免出現最差情況的方法。阿爾文的理論也能解釋宇宙飛船所觀察到的許多現象，例如馮·阿倫帶。空間物理學家廣泛使用這些理論以致于阿爾文不得不提醒人們提防應用不當。他強調當在低密度等離子體中形成靜電偶層時，凍結圖形不再適用，而且如果不注意這個限制條件，使用它會很容易導致錯誤結論。

阿爾文曾明確地提出：“等離子體知識對于我們理解太陽系的起源和演化也是很重要的，因為我們有充分的理由相信，現在構成天體的那些物質曾經是以等離子態分布著的。”據此，從50年代后期，他又重新從事太陽系起源問題的研究，并于70年代初提出了一個與人們普遍接受的“大爆炸”宇宙理論相沖突的宇宙學說。關于這個問題，我們將在下文中作進一步討論。

3 深沉的科學美感

科學美感是科學審美主體所體驗到的一種心理感受，即如同愛因斯坦所說的：“靈魂沉醉喜悅中的強烈戰栗”。它與科學創造的主體的自身條件有著不可分割的聯系。大自然的和諧與秩序不可能完全呈現于外在現象，而是包含于內在聯系之中。科學創造的主體要想體驗到這種內在的美，不僅要求有渴望美、欣賞美的激情，還要有一種透視內涵的能力，即對自然規律的理解力和直覺判斷力。也就是費曼所宣稱的“干物理得有鑒賞力”。這種鑒賞力的心理機制就在于“靈魂一見到美的東西就感到敬畏而戰栗，因為它感到有某種東西在其中被喚起，那不是感官從外部曾經給予它的，而是早已一直安放在深沉的無意識的境域。 ”（海森堡語）。

對于具有深沉的科學美感的阿爾文來說，比之于彩虹等自然現象的可見的美而言，基本物理定律所具有的那種可想而不可見的美更為重要，也更為誘人。然而，要真正對自然界這種深奧的美有切身的感受，沒有數學是辦不到的，因為它是縱貫于物理學的基本定律上的對稱性、守恒定律等一些核心概念來體現的。據此，阿爾文才深有體會地說：“象畫家運用色調，雕刻家利用石膏，音樂家通過音符來表達自己的見解和感受一樣，科學家們是通過似乎是周圍的濃縮物的公式和定理來表現自己的高水平的美感的。理論家們向自己的同行提出自己的新公式時所可能博得的最高的評價，便是同行們一聲驚呼：‘漂亮極了！’構成某種理論的若干概念的總和，應當極為扼要地表達出來。因此，科學需要一種能夠簡練地、合乎邏輯地表達的語言，這種語言便是數學”。正是出自于“對于數學神秘力量的信仰”（薛定諤語），阿爾文渴望著用數學的語言、邏輯的體系去完備地、統一地、簡單地構造出整個和諧的宇宙圖景。并以此來表達自己深沉的、高水平的科學美感，所以阿爾文的理論充斥著數學美。如上文所提及的微擾理論中決定定向中心、漂移運動的方程就是一個數學美的力作。

此外，阿爾文在關于如上所述的太陽系起源問題的研究中，基于他對貫穿于物理學的基本定律之上的對稱性的執著追求，立足于從宇宙的物質與反物質量相等出發，來建立他的宇宙論。其具體過程是這樣的：人們通常認為太陽系的起源應包括一個過程，在這個過程中一個磁化的等離子體濃縮成小固體微粒，而這些微粒逐漸堆積成為較大的物體。阿爾文認為小行星、慧星和流星在堆積過程中比大行星和衛星早出現相當長的時間，他主張宇宙飛船到小行星和慧星上去旅行會獲得在別處可能沒有的關于這個過程的信息。1973年他提出這過程也許在來自隕石的慧星堆積中繼續，這是一個與普遍接受的觀點相反的意見。阿爾文改進了由奧斯卡·克萊恩提出的建議，即認為宇宙在某種意義上應是對稱的。并以此為核心構建了他的宇宙學說。

概而言之，作為“科學藝術家”的阿爾文，不僅以他在磁流體動力學研究方面的卓越貢獻，推動著當代天體物理、地球物理、受控熱核反應映等研究領域的發展；而且他的科學美學思想對當代物理學家也產生了不可估量的巨大影響，隨著現代物理學表述的日趨數學化、形式化和抽象化，隨著當今人們正在探尋更廣泛更深刻的對稱性，特別是到宇宙太空中去尋找反物質，這種影響越來越明顯，越來越強烈，越來越深遠，正如楊振寧所說：追求數學美是“鼓舞物理學家的充沛源泉”，“我深信，把對稱性原理繼續推廣下去的想法，將是21世紀理論方面的重要發展方向。”

[1]上海物理學會、《世界科學》編輯室編.諾貝爾獎金獲得者講演集--70年代物理學[M].上海:上海知識出版社,1986,6-17.

[2]徐輔新，程民治著.自然科學美學[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

朱愛國（1982-），男，安徽安慶人。碩士，講師，研究方向：大學物理與物理實驗教學

責任編輯：宏 彬