磁流体力学的创立者阿尔芬

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

编者按

本文作者H•阿尔芬（瑞典人，1908.05.30 –1995.04.02）因磁流体的基础工作获得了1970年的诺贝尔奖。他一直是一位非主流科学家，不管是他获诺贝尔奖前还是后，包括他后来获奖的磁流体理论及许多其他理论，在一开始总不被主流接受。他帮助建立的宇宙射线的理论后来被广为接受（但他自己后来却摒弃）。在这篇1980年代写的文章中，他坚持的宇宙射线理论依然为主流界所拒绝，他坚持主张宇宙射线有一个局域的在太阳系中的起源。他的两本小书《宇宙电动力学》和《宇宙等离子体》均有中译本，有兴趣者可去翻阅。他这篇回忆，或许让一些读者想起一百多年前马赫（Ernst Mach）拒绝相信原子真实性的立场，马赫在研讨会和讲座上总会质问任何谈论原子的人：“你亲眼见过一个吗？”

我们转载这些回忆录，并非要支持阿尔芬或任何一方，只是帮助阐明科学思想形成的曲折过程。这个话题是永恒的。阿尔芬的轶事提醒我们个性如何影响思想，以及他对同行评议“离经叛道”的评论，在今天依然像以前一样有意义。

撰文 | H•阿尔芬（Hannes Alfven）

译者 | 谢华生

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半个世纪前，我和许多其他年轻物理学家一样，从核物理领域起步。由于我对实验比对理论更感兴趣，我在该领域的第一项工作是集中在利用电学方法探测核辐射。这引导我研究盖革-米勒管（Geiger-Müller tubes），并建造了适用于测量宇宙射线的大型管子。我发现这个研究领域非常迷人，因为宇宙射线的能量远大于放射性物质的辐射能量，实质上可高达10的十次方甚至十一次方电子伏特（eV）！我开始推测它们的起源，并构想了一个巧妙的“理论”，这个理论实际上非常愚蠢，我甚至不愿在此提及。出于未知的原因，《自然》（Nature）杂志同意发表一篇关于它的通讯稿（letter），但文章一发表，我就发现这个想法完全站不住脚。

这大概是1933年左右的事，因为我很清楚地记得这是在我1934年第一次参加在伦敦举办的国际会议之前。在那次会议上，我遇到了康普顿（A. H. Compton），他立即提到他读了我的通讯稿并觉得很有趣。我说我为自己发表了如此愚蠢的东西感到羞愧，他回答说：“别太轻易就放弃了”。由于他是宇宙辐射的权威之一，这对我是一个巨大的鼓舞。回想起来，这可能是将我引入天体物理学的契机。那时，几乎所有人都涌向了核物理学。它使我免于陷入当今每位核物理学家内心深处必然感受到的、与原子弹和核能相关的内疚感。

接下来的插曲发生在1948年。那时，战争刚结束，原子弹已经爆炸，科学永远改变了它的属性。我在天体物理上的科学工作依然继续。我已经给出了一个宇宙射线通过双星周围电磁场效应加速的理论。作为斯旺（Swann）有名但不实际的 “天鹅机（cygnotron）”（Vallarta这样称呼它）的一个例外，我认为这是首次尝试用电磁效应解释高能量现象。不过，如果宇宙（cosmic）辐射像普遍接受的观点那样充满整个宇宙（universe），这种类型的过程不能提供足够的强度。我随后指出这种困境可以被解决，如果宇宙辐射限制在我们的星系内。这要求有一个强度至少是10的负十次方高斯的星系磁场。（应该记住，那个时候知道的最高的宇宙辐射能量只有10的十一次方电子伏特。） 

我试图发表这篇文章到《自然》（Nature）或其他被较广阅读的期刊，但未被接受。“那家伙完全疯了吗？难道他不知道空间是空荡荡的，也即意味着没有粒子可以携带电流？而且我们所有人都知道地球磁场由一个位于其中心的永磁体驱动。他不明白它随距离衰减多快吗？他相信有一堆磁体悬浮在星系中？”唯一一个接受它的期刊是《Arkiv for Fysik》，发表到上面是通过我的老师Manne Siegbahn教授的沟通。当然，这是本非常有声望的期刊，但读者并不多。

在1966年一次无线电天文专题研讨会上，发生了如下对话。 

阿尔芬：[V. L.] 金兹堡说宇宙辐射在银河系中起着决定性作用，这一点是绝对清楚的。我对此一点也不确定，因为我们观测到的现象和我们从观测中推断出的结论是如此不同……很可能宇宙辐射的99%是一种局域现象，被限制在我们所处的环境中，就像范艾伦辐射带被束缚在地球磁场中一样。 

金兹堡回答：反对宇宙射线起源于太阳或局域的论据有很多……射电天文学的证据相当有力……然而，我同意要证伪任何事情都异常困难。

阿尔芬：证伪任何事情都非常困难，但证明它也同样困难。

金兹堡：幸运的是，还是有可能做些事情的。我在这个领域工作了好些年头，我可以说随着时间的推移，论据在慢慢改进。所以我希望在我有生之年能看到这些事取得最终胜利。

阿尔芬：我希望您长寿。 

由于这个背景，我在1948年有了以下的经历。我开始了我第一次跨大西洋旅程，在途中我参加了一个伯明翰的会议。我到会晚了点，进入了一个报告厅，其中爱德华•泰勒（Edward Teller）在讲宇宙射线的起源。我当时已经毫无疑问地（我以为）证明了宇宙辐射是一种星系现象，由某种电磁效应产生并被束缚在星系内，因此其强度当然是均匀的。泰勒声称它是一个局域现象，产生并被束缚在今天称为“日球层”（heliosphere）的区域里。全场哄堂大笑，我也笑了。那是我第一次听泰勒演讲，还不知道这位充满活力的人物总是能让所有人发笑——无论他是在谈论他心爱的原子弹还是天体物理学。 

当我到达美国后，不少人问起泰勒的新想法。我说大家都嘲笑他的讲座，那没什么值得认真对待的。我在美国进行了大巡游——对于第一次看到它的人来说当然是相当棒的经历。我在加州理工学院（Caltech）待了一段时间，然后泰勒也来了那里。令我非常惊讶的是，他重复了同样愚蠢的演讲。这次，我客观地对待它，同时在他报告后我们进行了一次长的讨论，结果是他邀请我在回程途中到他在芝加哥的研讨会上继续讨论。

我必须承认他用了很聪明的方式辩护他的观点，同时我必须承认宇宙辐射是一种星系现象并不像我以前认为的那样如此显然。思考了几天后，我实际上被说服了，认为他在本质上是正确的。我给他寄了一张明信片，说我在主要方面表示同意，甚至找到了支持宇宙射线受日球层束缚的新论据。我认为这些论据与我1942年发表第一篇论文时提到的磁流体力学波有关（译注：H. Alfvén, Existence of electromagnetic-hydrodynamic waves, Nature, 1942, 150, 405– 406）。 

几周后我到了芝加哥，泰勒在报告会上介绍我：“我只需要告诉你们，这就是那个写那张风景明信片的”。泰勒和我后来共写了一篇关于宇宙射线局域起源的论文。一些年后，泰勒改变了他的观点——然后从那以后相信了宇宙辐射作为星系现象的标准观点。这目前已经是如此普遍地被接受，以至于辐射被称为“星系辐射”。有点自相矛盾的是，我目前应该是少有的泰勒理论的支持者之一，然而被普遍接受的星系理论基本上来自于我1930年代后期的观点。事实上，它已经变得如此神圣，以至于我数十年来想开始认真的讨论的尝试都变成了徒劳。

我的1948年短暂的芝加哥之旅也有另一个结果。研讨会的成员之一是费米（Enrico Fermi），他对宇宙射线的起源产生了兴趣。讨论会后，他让我解释磁流体波是什么。从我1942年发表我的第一篇论文，极少人相信它们——斯必泽（Lyman Spitzer）和史瓦西（Martin Schwarzschild）是最主要的例外。我收到许多同行来信，问我是否依然没有明白那是胡说八道。如果它们存在，麦克斯韦应该早就描述过它们，很显然，他没有。因此，它们不可能存在！我完全同意，它们没有任何了不起的。（我主要把它们看作我的太阳黑子理论的副产品，我认为后者重要得多。）发现它们，对于麦克斯韦来说可能只是作为一个乏味的周日下午打发时间的合适消遣，但事实上看起来他选择了其他消遣方式。

费米听我讲了大约五到十分钟，说：“当然，这些波可以存在”。费米有如此的权威以至于他今天说“当然（ofcourse）”，明天所有物理学家都会说“当然”。实际上，他发表了一篇论文（译注：E. Fermi, On the Origin of the Cosmic Radiation, Physical Review 75, 1169-1174, 1949），以如此清晰的方式解释了它们，以至于没人能怀疑它们存在的可能性。我在六年里未能做到的事情，费米只用了他提出有名的宇宙射线加速费米机制的论文（它的重要性我至今仍未能理解）的引言部分就解决了。 

我个人的观点看，我早期在宇宙射线方面的工作非常重要。与几乎所有天体物理学家相反，我受教育于实验室，因此，对我来说用粒子在磁场中运动的方式来描述等离子体现象是很自然的，就像在实验室里那样。太空中的宇宙射线现象引导我以这种方式处理整个天体物理学。此后，低密度等离子体天文对我来说是一门终极来说必须用单个粒子来描述的科学。作为处理磁流体方程的替代，我选择坐下来并想象骑在每个电子和离子上，试图从它们的位置想象它们的世界会怎样，以及什么力推动它们向左或向右。

这带来了一个巨大的优势，因为相较于大部分天体物理学家做的，它带给我用另外的观点处理这种现象的可能。同时，用两种不同的视角看待任何现象总是富有成效的。另一方面，这也给我带来了一个严重的劣势。当我用这套公式描述现象时，大部分审稿人不明白我在说什么并驳回我的论文。如今这种统治美国科学界的审稿制度下，意味着我的论文很少被美国主流期刊接受。欧洲，包括苏联，及日本，对异见者更为宽容。

磁流体方式处理宇宙等离子体，可能对于像恒星内部的高密度等离子体非常好，但如果应用到宇宙中的低密度等离子体经常会导致严重的误导。从20年前的热核危机，到近五年来磁层物理中类似的危机，我们应该学到，用流体方式处理低密度等离子体是不实际的。确实，等离子体教会我它是如此复杂，更应该被视为一种生命体，而非无生命的机械系统。（朗缪尔命名它，理解及借用了这个来自血浆[译注：这句可能不确。目前一般认为朗缪尔命名plasma是用了希腊语的“模具”的意思，而非取自“血浆”。]的名字。）这种生物不懂微分方程、矢量和张量，也不关心这些无意义的事（nonsense）。它经常找到新的方式欺骗数学物理学家。这意味着，除非一个科学家清除其脑中那些数学形式化的桎梏，否则他很难有可能理解这个淘气和古怪的顽童，它喜欢反叛理论家指定它应该做的。

上述条件以及相当多其他因素，导致了一个非常强大的主流的（E，establishment）与本文作者所在的一小群异见者（D，dissidents）之间的分歧。这并不稀奇。非常关键及可惜的是，似乎几乎不可能在E和D之间展开一场严肃的讨论。作为一个异见者处于非常不愉快的境地，我确信只要E给出令人信服的论据，D会非常乐意改变他们的观点。但“所有有识之士都同意……”（及潜台词：不同意就表示你是个怪人）这样的论点在科学中并非有效的论据。如果科学问题一直由盖洛普民意测验（Gallup polls）而非科学论据决定，科学将很快永久僵化。

转载自Early History of Cosmic Ray Studies，ed. Y. Sekido and H. Elliot, pp. 421, 427-31. D. Reidel, 1985. By permission of Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands.

来源：Hannes Alfvén, Memoirs of a Dissident Scientist, American Scientist, Vol. 76, No. 3 (May-June 1988), pp. 249-251, http://www.jstor.org/stable/27855181 

译者补注：

本文最初翻译于2013年。当时关于等离子体物理学科早期的历史、人物及相关工作，国内能听到的除了一些教材上的外，轶闻主要来自陈骝教授和王晓钢教授的一些报告、讲座或闲谈。选择翻译这篇短文，最主要是希望提供一些等离子体物理先驱们自己口中描述的历史，而非转述的，这样国内读者更有一种代入感。历史并非教科书中那样完美，曾经发生的事，也在今日的学者身上继续发生着。文中的阿尔芬的非主流困境、康普顿对年轻人的鼓励、泰勒的非主流但聪明的行事风格，及费米敏锐的眼光和巨大权威，或许都能令人有所启发。

另一篇值得翻译的是罗森布鲁斯（Marshall Rosenbluth，1927-2003）去世前几个月的口述历史。Rosenbluth是等离子体物理或聚变界公认的教皇，对这一领域的发展做出了巨大的贡献，目前磁约束聚变的几乎所有方面都与他有关。那篇长文中，讲到了许多有趣或有启发价值的轶事，包括早期与李政道和杨振宁在费米和泰勒手下做学生的那段，以及关于1953那篇Monte Carlo重要性抽样算法的文章并非第一作者Metropolis的工作，及后续与苏联科学家B. B. Kadomtsev共同发展等离子体及聚变研究的事，等等。