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他的姓名值15亿美元:天才少年尤金·帕克的传奇人生

2022年3月15日,尤金·帕克逝世,享年94岁。帕克天纵英才,30岁时就严格证明太阳风的存在,并因此声名大噪。在60年的学术生涯中,他以唯一作者的身份发表了200多篇研究论文,重塑了人类对太阳物理、等离子体物理、各种尺度上的磁场的性质的认识。现在,以他的姓命名的价值15亿美元的“帕克太阳探测器”正继承他的遗志,破解太阳的秘密。尽管帕克不再与我们同在,但他的发现与学术遗产会永远伴随着人类。

 

撰文 | 王善钦

 

芝加哥当地时间的2022年3月15日,杰出的物理学家、天体物理学家与地球物理学家尤金·帕克(Eugene Newman Parker)逝世,享年94岁。

 

帕克20多岁时就已成为年轻的学术权威,在30岁时更因其在太阳风理论中的决定性贡献而名震天下,此后又在太阳物理、等离子体物理、空间物理等众多领域继续工作超过半个世纪,得到的一系列重要成果深刻改变了这些领域的面貌。

 

本文介绍帕克传奇、勤奋而智慧的一生。
 

>>>沉迷物理的年轻人

 

1927年6月10日,帕克出生于密歇根州北部的霍顿市。在晚年接受访谈时,他说,当他还是一个小孩子时,就对万物的运作规律非常感兴趣[1]。在读高中时,帕克就沉迷物理,不可自拔。高中毕业后,帕克进入密歇根州立大学,攻读物理学专业。

图1:年轻时的帕克。丨来源:https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

 

1948年,21岁的帕克大学毕业,获得学士学位,随后到加州理工学院攻读博士学位,研究领域是星际尘埃与气体的结构。3年后,帕克获得博士学位。

 

在本科与博士期间,帕克在电磁学与流体力学方面打下了非常扎实的基础,为其后来在多个领域内的汪洋恣肆的研究提供了最拿手的工具。

 

帕克研究的领域可被归纳为两大类:第一类是地球、太阳、太阳系、星系的磁场的性质;第二类是等离子体的性质。等离子体是高温气体被分解成的正离子与电子的混合体。太阳就是一团被引力束缚的等离子体。流动的等离子体自然伴随磁场,所以这两大类又交叉在一起。

图:由太阳动力学天文台(SDO)获得的紫外数据合成的伪色图像。这与我们在可见光波段直观上看到的红黄色的太阳倒是很像。丨来源:NASA/SDO (AIA)  (Public Domain)
 

1951年,24岁的帕克到犹他大学当了4年的讲师与助理教授。从1952年开始,帕克向世人展示其学术才能与创造力,在多个领域得到重要成果。

 

根据美国国家航天局(NASA)的天体物理学数据库系统(ADS),从1952年到1957年,帕克以第一作者身份发表了20篇论文,其中6篇在《天体物理学杂志》(ApJ),2篇在《天文学杂志》(AJ),7篇在《物理评论》(PR),2篇在《地球物理学研究杂志》(JGR),1篇在《自然》,1篇在《美国科学院院刊》(PNAS),1篇在《应用物理杂志》(Journal of Applied Physics)。这20篇第一作者论文仅有一篇有一个合作者,其他的都是唯一作者论文。

 

这些论文跨越了物理学、天体物理学与地球物理学,研究了星际气体与尘埃的动力学性质与引力不稳定性、太阳电离区的湍动与声波学、一般流体的湍动性质、压缩流体的声波辐射、热场的不稳定性、太阳耀斑的形成机制、磁流体动力学波与宇宙线加速、磁流体发动机理论、太阳磁流体发动机理论、地磁暴等众多课题。

图2:太阳耀斑爆发时的13.1纳米波长的X射线图像。太阳耀斑爆发时,太阳局部区域会突然变亮。丨来源:NASA Goddard Space Flight Center (Public Domain)
 

此时,年仅30岁的帕克已经是一个可畏的后生,一个年轻的学术领袖。因为持续、稳定而高质量的学术成果,帕克于1955年顺利跳槽到芝加哥大学。

 

也许你会奇怪,为什么上面只统计到1957年为止的论文?这是因为,他将在1958年迎来了学术生涯的一个传奇。

 

>>>日冕、彗星尾巴与“太阳微粒辐射”

 

1957年开始,帕克开始密切关注与日冕温度有关的课题。日冕是覆盖在太阳外部的一层高温稀薄气体。在日食发生的时候,可以很轻松地观测到它,其形状就像一个帽子,因此国外天文学家用“王冠(crown)”的拉丁文“corona”来命名它,中文将其翻译为“日冕”。此前的天文学家在观测日冕时,确认了其中存在高度电离的铁离子,据此计算出日冕的温度超过100万摄氏度。

图3:1999年日全食期间,在法国拍摄到的图像,图中浅灰色的就是日冕。实际上的日冕的延伸范围要远得多,在图上看不出来。丨来源:Luc Viatour
 

英国数学家与地球物理学家查普曼(Sydney Chapman,1888-1970)在1954年发表的一篇论文中计算了高温日冕的性质,发现日冕的导热性非常好,热流会向空间弥散,超过地球的轨道。

图4:查普曼丨来源:Public Domain

 

帕克当然注意到了查普曼的这篇重要论文。但是,帕克还注意到了对彗星尾巴(彗尾)的研究以及“太阳可能在不断发出带电粒子”的相关假设。

 

这两个课题实际上在此前就一直纠缠在一起。

 

早在1859年,英国业余天文学家卡琳顿(Richard C. Carrington,1826-1875)与霍格森(Richard Hodgson,1804-1872)分别独立地观测到太阳局部亮度突然剧烈增大的现象——耀斑,接下来的一些天,地球上发生了猛烈的地磁暴。卡琳顿猜测耀斑与地磁暴之间存在关系。爱尔兰物理学家菲兹杰拉德(George Francis FitzGerald,1851-1901)提出,太阳表面的物质被加速后,在几天之后来到地球,引发了地磁暴。[2]

图5:菲兹杰拉德丨来源:Public Domain
 

对彗尾的研究,让天文学家有了另一个思路。天文学家发现,彗星的“气体尾”总是“躲着”太阳。1910年,英国天文学家爱丁顿(Arthur Eddington,1882-1944)在一篇研究彗星的论文的脚注提出:来自太阳的一大群离子会对彗星造成影响。在此之前他已经提出类似想法,只是当时他猜测那是带负电的电子。

图6:彗尾。Gas tail为气体尾,Dust tail为尘埃尾。丨来源:NASA Ames Research Center/K. Jobse, P. Jenniskens (Public Domain)

图7:爱丁顿丨来源:Public Domain
 

挪威天文学家博克兰德(Kristian Birkeland,1867-1917)在详细考察了北极光之后,认定地球持续受到来自太阳的带电粒子的轰炸,并于1916年首次提出:太阳喷发出的粒子既有带负电的电子,又有带正电的离子。

图8:博克兰德丨来源:Public Domain
 

图9:NASA的卫星“磁层顶-极光全球探索成像仪”(IMAGE)拍摄到的南极光丨来源:NASA(Public Domain)

 

1951、1952与1957年,德国天文学家比尔曼(Ludwig Biermann,1907-1986)在3篇论文里研究了彗尾的性质,也提出猜测:太阳发出的带电粒子影响了彗尾的朝向。他将这些粒子称为“太阳微粒辐射”(solar corpuscular radiation),并指出,它们的速度大约是每秒500到1500千米。

图10:比尔曼丨来源:http://phys-astro.sonoma.edu/brucemedalists/ludwig-biermann

 

帕克认为,查普曼提到的“弥散到空间的热流”与比尔曼猜想到的影响彗尾方向的“太阳微粒辐射”就是一回事,它们都来自炽热的日冕。

 

经过严密的数学推导,帕克证明,由于日冕是热的良导体,其外层依然可以达到几百万摄氏度,其中的粒子因此具有很高的平均动能;而外层日冕的粒子受到的引力较弱。

 

这两个因素会使外层日冕中的粒子足以克服太阳引力束缚,并以超过音速的速度脱离日冕,形成高速的“太阳微粒辐射”。

 

>>>打击与反转

 

1958年1月2日,ApJ编辑部收到帕克的论文。按照标准流程,编辑将其发送给一个审稿人。

 

审稿人拒绝了帕克的论文。审稿人说:“好吧,我建议帕克在尝试写论文之前,先到图书馆读读相关学科(的论著),因为这篇论文完全是在胡说八道。”[3]除了这个评论外,审稿人懒得给出针对论文细节的任何评论。

 

伤害性不大,侮辱性极强。

 

更悲催的是,编辑部找的第二个审稿人也拒绝了这篇稿子。

 

在帕克的论文被两个审稿人拒绝后,当时ApJ的主编钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910-1995)决定自己出马,审阅这篇论文。钱德拉塞卡是全才型的天体物理学大师,他担任主编期间,可以审阅投到ApJ的所有领域的论文。

图11:钱德拉塞卡丨来源:Public Domain
 

钱德拉塞卡看完帕克的论文之后,也不认同帕克论文中的观点。但他无法找出论文中的数学推导的任何错误。因此,他同意发表这篇论文。

 

百忙之中的钱德拉塞卡为何会主动去审阅被两个审稿人毙掉的稿子呢?因为,正如前面所说,此时的帕克已经是一个年轻的学术权威。钱德拉塞卡相信,这么出色的年轻学者,胡说八道的可能性比较低。

 

一开始,帕克沿用了“太阳微粒辐射”这个说法。在后来的论文中,他改称其为“太阳风”(solar wind)。

 

1959年1月,苏联的“月球1号”飞船首次直接探测到太阳风,并测量出其强度。此后,“月球2号”、“月球3号”与“金星1号”飞船验证了这个结果。1962年,NASA的“水手2号”飞船飞掠金星时,也探测到稳定的粒子流,进一步证实了帕克提出的“太阳风”理论。

图12:太阳风打在火星上并将其大气上层剥离的艺术想象图丨来源:NASA/GSFC
 

虽然帕克不是第一个猜测有太阳风的学者,但他是第一个严格证明太阳风可以形成的学者。这些探测结果证实了帕克基于扎实计算得到的结论。帕克的声誉因此被大大提高。

图13:被插在月球上、用以采集太阳风并确定其成分的“太阳风成分(Solar Wind Composition,SWC)实验”的器材。站立者为阿波罗11号宇航员奥尔德林(Edwin E. Aldrin,1930-),拍摄者是第一个登上月球的阿姆斯特朗(Neil Alden Armstrong,1930-2012)。丨来源:NASA / Neil A. Armstrong (Public Domain)
 

后来的观测与理论研究证明,太阳风确实是彗星气体尾朝向、产生地磁暴与极光的根本原因。

 

>>>老当益壮,宁移白首之心

 

在因为太阳风的研究而声名鹊起之后,帕克并未松懈,而是在此后半个世纪都像一个刚出道的年轻学者那样勤奋工作,对太阳物理的各类现象、各种尺度的天体系统的磁场、太阳-地球磁场相互作用以及流体力学与等离子体物理学自身都做出了杰出的贡献。

图14:1977年的帕克丨来源:https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022

 

1995年,68岁的帕克退休。退休后的帕克依然活跃于相关领域,继续著书立说。直到2012年,85岁高龄的帕克还在《等离子体物理学与可控核聚变》(Plasma Physics and Controlled FusionPPCF)发表研究论文,此时距离他发表第一篇论文那一年(1952年),恰好是60年。

 

帕克长达60年的辛勤研究,加深了人们太阳物理、地球物理、流体力学、等离子体物理学等领域的理解,重塑了其中众多领域的面貌。他的工作以扎实而精湛的数学功底为基础,以深刻的物理直觉为指引。帕克的同事、芝加哥大学天文与天体物理学教授罗斯纳(Robert Rosner)盛赞帕克,称其为“理想的物理学家”,因为他“才华横溢,多才多艺,和蔼可亲,擅长表达,但也很谦虚”(“brilliant and accomplished, personable, articulate, but also humble”)[4],并对其惊人的物理直觉与数学分析能力深感敬佩。

图15:正在写方程组的老年帕克。丨来源:https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

 

帕克用60年的辛勤耕耘,为学术界带来了大量成果。根据ADS索引,帕克在其研究的各领域的国际一流杂志发表了200多篇第一作者的研究论文,其中绝大多数为唯一作者论文[5]。此外,帕克还写了多篇邀请综述与高级科普,出版多本教科书。这些论著不仅见证了帕克的才能,也见证了帕克的勤奋。

图16:同事庆祝帕克的90岁生日丨来源:Jean Lachat

 

因为帕克的众多杰出贡献,人们以他的姓来命名一些现象、模型与方程,如[4]:描述星系内磁浮力不稳定性的帕克不稳定性(Parker instability),描述穿过等离子体的粒子的帕克方程,描述等离子体磁场的斯威特-帕克模型(Sweet-Parker model),描述行星际磁场的帕克旋臂(Parker spiral);描述磁单极流量极限的帕克极限(Parker limit),等等。

图17:帕克旋臂的示意图。来源:Miserlou (Public Domain)
 

>>>无冕之王

 

帕克取得的众多重要成就也使他获得众多奖项与荣誉。

 

1967年,帕克当选为美国科学院院士。1969年,帕克获得亨利·罗素讲席(Henry Norris Russell Lectureship)与表彰太阳物理学以及日-地关系研究的阿克托夫斯基奖(Arctowski Medal)。

 

1978年,美国天文学会首次颁发海耳奖(George Ellery Hale Prize),表彰为太阳物理做出杰出贡献的学者,帕克成为第一届海耳奖得主。海耳(George Ellery Hale,1868 -1938)的天文学成就集中于太阳物理学,但他对天文学的最大贡献是筹资建设了称雄世界几十年的两个大望远镜。

图18:海耳丨来源:Public Domain

 

1979年,帕克获得英国皇家天文学会颁发的查普曼奖章(Chapman Medal),这个查普曼就是上文中提到的那个证明高温日冕具有良好导热性的查普曼。

 

1989年,帕克获得美国国家科学奖章(National Medal of Science);1990年,帕克获得美国地球科学最高奖——鲍伊尔奖章(William Bowie Medal);1992年,帕克获得皇家天文学会金质奖章(Gold Medal of the Royal Astronomical Society);1997年,帕克获得布鲁斯奖章(Bruce Medal);2003年,帕克获得麦克斯韦奖(James Clerk Maxwell Prize),此奖奖励那些为等离子体物理学做出杰出贡献的学者。

 

2018年,帕克获得美国物理学会颁发的杰出研究成就奖章(Medal for Exceptional Achievement in Research),得奖原因是他“在过去60年时间内,对空间物理、等离子体物理与天体物理学的基础性贡献。”[6]

 

2020年,帕克获得了他这辈子的最后一个奖:克拉福德天文奖(Crafoord Prize in Astronomy)。这个奖可以算是终身成就奖。

 

克拉福德奖于1980年由瑞典工业家与慈善家克拉福德(Holger Crafoord,1908-1982)与其妻子建立的基金会出资奖励,由瑞典皇家科学院负责推选得奖。1982年,克拉福德奖开始颁奖。

 

某种意义上说,这个奖比诺贝尔奖还难获得:在2000年之前,它每年只给天文与数学、生物科学、地球科学中的一个领域,此后因为增加了对关节炎领域的研究的奖励,经常要4年才轮到一个领域。在2008年之前,天文与数学只能二选一,天文学家还必须和数学家之间彼此轮流拿,每6年轮到一次。2008年之后,天文学家与数学家可以同时分别获奖。

 

从1985年开始到现在的37年间,获得克劳福德天文奖的天文学家只有12位[7],其中3位在得奖之后获得了诺贝尔物理学奖[8],剩余的9位也都是相关领域的权威学者。将这个奖授予他,是因为他“对太阳风、恒星与星系尺度的磁场的先驱性与基础性研究[9]

 

尽管帕克未获得诺贝尔奖,但众多奖项、尤其是最后获得的克拉福德天文奖肯定了他“无冕之王”的崇高地位。

 

>>>帕克遇见“帕克”

 

2017年,NASA在征得帕克的欣然同意之后,将即将发射升空的“太阳探测器Plus”(Solar Probe Plus)改名为“帕克太阳探测器”(The Parker Solar Probe),以下我们简称其为“帕克”,并用引号来与作为人物的帕克进行区分。

 

总耗资15亿美元的“帕克”的任务是:直接探测加热了日冕、加速了太阳风粒子的能量流,确定产生太阳风的区域的磁场的性质,以及确定那些高能量粒子如何被加速与传输。

 

当工作人员将帕克带进存放“帕克”的洁净间,让二者“相见”时,人们见证了帕克遇见“帕克”的激动人心的时刻。

 

发射“帕克”的火箭是联合发射联盟(United Launch Alliance,ULA)的德尔塔IV重型火箭,它的运力世界第二强,发射一次大约4亿美元。在发射前,帕克本“克”被隆重邀请到火箭之前,在NASA当时的副局长Thomas Zurbuchen及ULA的首席执行官Tory Bruno的陪同下,与火箭合影。

图19:“帕克”升空前,帕克(中)与Thomas Zurbuchen(左)及Tory Bruno(右)在火箭发射架之前合影。丨来源:Bill Ingalls/NASA

 

2018年8月12日,“帕克”被发射升空,帕克本人到场目睹盛况。按照计划,“帕克”将围绕太阳转26圈,其间7次在接近金星时借助金星引力改变轨道,逐渐靠近太阳,并直接穿过日冕,与太阳表面最近时将只有大约600万千米。

图20:2018年8月12日凌晨3点31分, 德尔塔IV重型火箭在卡纳维拉尔角将“帕克”发射升空。丨来源:Bill Ingalls/NASA

图21:2018年8月12日凌晨3点31分,帕克在发射现场目睹“帕克”升空。丨来源:Bill Ingalls/NASA

 

帕克目睹的“帕克”升空的场景见下方视频。

 

视频:装载“帕克”的火箭升空的壮观过程与目睹这个场景的帕克本“克”

 

2021年4月,“帕克”首次穿过日冕,成为人类历史上第一个“触摸”太阳的探测器。

图22:“帕克”接近太阳的艺术想象图丨来源:Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
 

现在,一辈子都在努力破解太阳秘密的帕克已经逝世,但“帕克”还在继续探索这些秘密。几年后,“帕克”完成任务,但帕克与“帕克”的发现与学术遗产也将永远伴随人类。

 

就如NASA总部的太阳物理组的主任Nicola Fox在帕克还在世时说的那样:“即使帕克博士不再与我们同在,他的发现与遗产也将永远活着。”[10]

图23:帕克丨来源:https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

 

注释

[1] 原文为:As a child, I enjoyed very much learning how things work.[2] 菲兹杰拉德更著名的一个工作是提出了相对论中的“菲兹杰拉德收缩公式”。[3] 原文为:“Well I would suggest that Parker go to the library and read up on the subject before he tries to write a paper about it, because this is utter nonsense.”[4]https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022[5] 其中,发表于ApJ、AJ、《太阳物理》(Solar Physics)、《空间科学综述》(Space Science Reviews)、《天体物理学与空间科学》(Astrophysics and Space Science)等天文类杂志的分别为117篇、2篇、12篇、6篇与9篇;发表于JGR、《地球物理与天体物理流体动力学》(Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics)等地球物理类的杂志的分别为23篇与20篇;发表于PR系列与《流体物理学》(Physics of Fluids)、PPCF与《等离子体物理》(Physics of Plasmas)等物理类杂志的分别为16篇、6篇、3篇与1篇;发表于PNAS与《自然》等综合类杂志的各1篇(另外3篇发表在《自然》的文章为综述文章)。[6] 原文为:For fundamental contributions to space physics, plasma physics, solar physics and astrophysics for over 60 years.[7] 克拉福德天文奖得主为斯皮泽(Lyman Spitzer)、桑德奇(Allan Sandage)、霍伊尔(Fred Hoyle)、萨皮德(Edwin Ernest Salpeter)、古恩(James E. Gunn)、皮伯斯(James Peebles)、里斯(Martin Rees)、苏尼耶夫(Rashid Alievich Sunyaev)、根泽尔(Reinhard Genzel)、季兹(Andrea M. Ghez)、克尔(Roy Kerr)、布兰福德(Roger Blandford)与帕克。[8] 皮伯斯获得2019年的诺贝尔物理学奖;根泽尔与季兹获得2020年的诺贝尔物理学奖。[9] 原文为:“for pioneering and fundamental studies of the solar wind and magnetic fields from stellar to galactic scales.”[10] 原文为:“Even though Dr. Parker is no longer with us, his discoveries and legacy will live forever.”

 



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