Hannes Olof G sta Alfvén，瑞典电力工程师，磁流体力学的创始人，1970年诺贝尔物理学奖得主。

除了诺贝尔奖以外，Alfvén还曾获得英国皇家天文学会金质奖章、美国的富兰克林奖章和前苏联科学院的罗蒙诺索夫金质奖章等重磅的国际科学表彰，是迄今为数不多的几位，既获得了英美科学界大奖，又获得了前苏联科学界大奖的科学家。

在如今学科愈发专业化和细分化的科学界，Alfvén被看作是一个“神秘人”、一个“异端”。很大程度上，这样的看法来源于他对自己的认知——哪怕已经成为了世界闻名的等离子体物理和空间物理领域的大拿，同时在瑞典和美国兼任讲席教授，他还是认为自己是一名电力工程师。

图注：太阳就是一个复杂的磁流体力学系统，炽热涌动的等离子体产生的种种物理过程，如今仍然充满未知。

Alfvén的学术成果遍布宇宙学、天体物理学、等离子体物理学、行星际与磁层物理学等领域。他的研究阐明了地球辐射带的产生、地磁场在磁暴期间的表现、地球磁层的形态、彗尾的产生、太阳系的起源、全银河系等离子体的特征等一系列重要的科学问题，在包括带电粒子加速器、可控核聚变、超音速飞行、火箭发动机、飞船返回舱的大气刹车在内的诸多工程领域得到广泛的应用。

然而，学术界毕竟是一个讲究“同行评议”的地方。他当初并不被学界主流接受，被同行视作为“异端”，受到严重的打压。今天，他的学术成果已经深入到物理学前沿研究的方方面面，然而很多人却并不知道他们日常使用的科学理论，来自于Alfvén。

当然，Alfvén并不是轻易服输的人，他手握真理，严谨推论，当然要在物理学中打出一片天地来。

1

“当然”

Alfvén最关键的学术贡献，在于磁流体力学的创立和磁流体波的发现。磁流体波是磁场和磁流体相互作用产生的、在高电导率介质中传播的一种周期运动。太阳中高温电离的气体，或者弥漫整个宇宙的等离子体都是磁流体波。当导电流体在磁场中运动时，根据法拉第电磁感应定律，此时在流体中会产生感生电场和感应电流，而电场和磁场的相互作用又要改变流体的运动，这样，磁场和流体运动交替作用的结果使某一部分具有初速流体的运动状态向它的周围传播出去，在流体中产生一种新的周期运动形式，即磁流体波。

图注：Alfvén波，磁流体波中的一种，命名用于纪念Alfvén。图中的红色是电子，绿色为离子，黄色为电位，橙色为平行电场数据，粉色为电荷密度，蓝色为磁感应强度。可见，在图的最右边出现了磁流体波的形态，即电荷密度和磁场的周期运动。

但是，学过电磁学，学过麦克斯韦方程的人，会立刻认识到这个理论的问题。

高电导率的介质里，怎么会有电磁的波动呢？

我们都知道，高电导率的介质，是屏蔽电磁波的，电磁波只能进入高电导率介质表面穿透非常浅的一小段距离，这一小段距离与电磁波的波长有关，波长越短，电磁波能量越高，穿透距离就越短。并且当介质电导率越大时，穿透距离越小。

这也正是当时的学界质疑Alfvén理论最主要的问题所在。空间中的等离子体电导率理论上是趋向于无穷大的，电磁波在空间等离子体中的穿深也应该趋向于无穷小。现在Alfvén却告诉大家，有一种电磁波竟然能够在这种理想导体中传播！

Alfvén于1942年试图发表他的研究论文，不出意外，被拒稿了——这个研究成果在审稿人看来，连麦克斯韦方程组都没学好。

在这些年间，Alfvén到处宣传他的学术观点，在很多个大学里做讲座，但是大家都不信，都质疑他。直到有一天，他第一次去美国访问，在芝加哥大学，做一次报告。

这次，台下有位重磅的科学家，Enrico Fermi，也就是费米，费米子的那个费米。

图注：Enrico Fermi（1901-1954），世界第一颗原子弹的制造者，理论、实验物理双料科学家，1938年诺贝尔物理学奖得主。主要成就实在太多，不一一赘述。

费米听完Alfvén的报告，点点头，说道：“当然。”

于是第二天，全世界的物理学家，都说：“当然，就应该是这样”，并认可了Alfvén的磁流体力学和磁流体波。

后来，阿尔芬因磁流体力学获得了诺贝尔物理学奖。

实际上，现在回头来看，磁流体波确实不能作为电磁波，从外界进入等离子体。但是，磁流体波却可以从等离子体内部产生，并沿着磁力线传播。考虑到这整个宇宙，都弥漫着等离子体，磁流体波实际上是一种非常普遍、非常重要的周期运动。

2

图注：Sydney Chapman，英国数学家和地球物理学家。

Alfvén刚刚开始研究地球磁层物理学的时候，磁层物理学的主流观点，属于Sydney Chapman。

Chapman认为，地球电离层的电流体系，没有地向（向下）的成分。作为数学家的Chapman给出了非常优雅的数学推导，内部逻辑非常自洽。因此，学界大部分都支持他的观点。

但在Chapman之前，挪威著名科学家Kristian Birkeland基于大量的事例研究、实验和遍及整个世界的地磁台站记录持不同的观点——他认为，电离层中的电流体系，存在沿着地球磁力线地向流动的部分。极光等现象都是与这部分电流体系密切相关的。

图注：Kristian Birkeland，挪威著名科学家，曾被提名诺贝尔奖多达7次。他最著名的学术成果是阐明了极光的机理。此外，为了获得研究极光的资金，他还发明了“线圈炮”，也就是“高斯枪”，以及从空气中固氮的伯克兰-艾德电弧法。

Alfvén生活在Chapman的理论占据主导的时代，但他还是认为老前辈Birkeland的解释更为合理。Alfvén认为，这种地向的电流体系，应该是整个地球电离层大部分电流体系的主要驱动力量。

但是人类的认识是严重受到生产力发展的制约的。在Alfvén继承并提出Birkeland观点的年代，人类还从未进入过太空，不知道太空中有什么。从地面上看来，太空中理所当然是空无一物的，很多科学家都认为太空中应当是良好的真空，仅仅偶尔有一些流星划过。既然是真空，在远离大气层的地球磁层中，哪里来的电流？根本就连载流子都没有嘛！何况，Chapman给出的数学表述是如此优雅简洁自洽。

1939年，Alfvén从Birkeland的解释出发，结合了自己等离子体动力学的知识，详细描述了在地球磁层中电子和离子如何围绕地球磁力线运动并产生地向电流的物理过程。他把稿件投给了一家美国著名的杂志社，然而他的论文直接就被拒稿了，因为他完全没有应用Chapman及其学派推导出来的理论模型。迫于无奈他只好把论文投到了瑞典本地的一家杂志上，影响力极为有限。

图注：Birkeland和Alfvén这一派人所主张的地球电流体系的示意图。电流沿着地球磁场，从两个磁极向地面方向（电离层和中性大气）注入。

这种学术排挤，在学术界倒确实是司空见惯。直到1974年，Chapman去世后的4年，人造地球卫星首次测量到了地向的电流，学界才终于承认Alfvén的理论的正确性。

Alfvén因为长年跟Chapman为代表的英美科学家“打仗“，所以遭受了大量的打压。很多由Alfvén提出的理论，都不为人知。他曾经透露，他的学术文章根本不被英美科学杂志接受，但在前苏联的杂志上发表倒十分顺利。

美国的地球物理权威杂志Geophysical Research Letters的主编Dessler回忆道：他十分羞愧地发现，他一直以为由费米于1949年提出的宇宙射线加速机制，实际上在更早之前Alfvén提出了类似观点。但学界几乎无人提到这一点。

好在，Alfvén足够长寿，他在有生之年看到了自己的正确理论发扬光大。

3

电力工程师才是核心

Alfvén颇具才华，在多个学科都有建树。此外Alfvén通晓瑞典语（母语）、英语、德语、法语和俄语，还会说一点西班牙语和中文。和那个年代的许多科学家一样，他也致力于通过组织和协商全世界科学家共同体来推进世界的和平，避免武装冲突和全球性的威胁。他曾担任“帕格沃什科学和世界事务会议”的主席，该组织后来获得了诺贝尔和平奖。

但他依然觉得自己本质上是个电力工程师，并引以为傲，特别喜欢用自己的职业来批评顽固守旧的天体物理学家——当然，这反过来让他更为不合群了。

他认为，他那个年代的天体物理学家拘泥于课本上的内容，不愿意接受新知识。明明宇宙中绝大部分物质都是等离子体，但这些天体物理学家却拒绝考虑这些物质，连最基本的电流回路、磁层物理知识和等离子体知识都不具备。他十分怀疑那些天体物理学家是否能看懂射电天文望远镜的数据。

根据他的统计，当时的17部最主流的天体物理教材，没有任何一部包含了穿刺效应（由Bennet提出）、离子临界速度；其中有两部包括了关于电流回路的知识，有三部提及了等离子体的双层结构（由Langmuir提出）。

在他的宇宙模型中，由于形形色色的等离子体，以及等离子体的运动产生的磁场，整个宇宙都受到等离子体的重大影响。这些理论后来当然都逐渐被认可，但在当时的英美学界却无人问津——倒是前苏联学界很喜欢这些，因为可以用来攻击英美学界的大爆炸宇宙模型（当然后来也成为了修正大爆炸宇宙模型的材料）。

他呼吁学界，要重视自然哲学的研究，不要让学科间的门户之见、贪婪和对未知的恐惧侵蚀了学术界的求知欲望，一定要勇于搞学科交叉。

毕竟他一个电力工程师，最终也是获得了诺贝尔奖的。

图片与参考资料：

1.维基百科词条：

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

2. Plasma Universe杂志人物页面：

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

3.诺贝尔奖官方网站：

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

编辑：万鹏 美编：许宏玺

校对：张腾飞 刘淇郡