2022年04月15日 10:00
【科學快訊】
2017年，90歲的帕克在芝加哥大學。（圖片來源www.news.uchicago.edu/story）
偉大的日球層物理學家、天體物理學家，尤金·帕克（Eugene Parker）先生於當地時間2022年3月15日去世。
來源|引力天文（id：GravityAstronomy）
撰文|蘇威
編輯|小R君
Parker職業生涯最精彩一戰
帕克的研究範圍很廣，他在太陽磁場的產生、太陽爆發、太陽風、日球層磁場、日地相互作用、宇宙線、銀河系磁場、磁單極子等領域，做出了一批開創性的成果。帕克的人生極為精彩，其中最為精彩的一戰是預言了太陽風<1>。
在1950年代，以當時的日地物理權威英國物理學家查普曼（Chapman）為代表的科研共同體認為，太陽大氣的形態與地球大氣類似，可以由太陽大氣（日冕）受到的引力與日冕高溫產生的向外膨脹的力的平衡所描述，最終形成了靜止的太陽大氣。古人就已發現，彗星除了在飛行方向的身後有一條尾巴，1950年代初，德國科學家路德維希·比爾曼（Ludwig Biermann）發現，在背向太陽方向還有第二條尾巴<2，3，4>。1956年，比爾曼訪問芝加哥大學空間與天體物理實驗室，介紹了他的發現。並把背向太陽的尾巴解釋為從太陽源源不斷流出了一些物質吹拂彗星所形成。但是，比爾曼的解釋並沒有讓芝加哥大學空間與天體物理實驗室的老大約翰辛普森（John Simpson）信服，他讓自己的小弟帕克去check一下。
帕克從平衡方程出發，check靜態太陽大氣模型。
這次check並不難。如果查普曼的理論是正確的，那麼太陽大氣受到的引力和熱壓梯度力之間是平衡的。考慮到日冕的溫度高達100萬度在1943年就已被瑞典物理學家艾德倫（Bengt Edlén）證實<5>，以及查普曼在1954年得到的高溫日冕的熱導率<6>。帕克在文章中只考慮最簡單的一維情況，卻發現出了大問題。在無窮遠處太陽大氣的壓強比星際介質的壓強要大好幾個量級。由此，帕克推測，對於日冕，甚至所有恒星氣體，引力與熱壓梯度力之間的平衡並不存在。
帕克推導出太陽風的第一個方程。
很自然的，帕克放棄了查普曼的太陽靜止大氣模型，而認為日冕是不斷向外膨脹的。由此，帕克建立了新的太陽大氣模型，並得出了日冕物質會持續從太陽流出並不斷加速。帕克後來把這個解叫做太陽風（Solar Wind），並算出太陽風在地球附近的速度是幾百公裏每秒。
帕克在1958年文章中預言太陽風的速度。
但是這篇文章的投稿並不順利，首先，在投稿之前，帕克的老板辛普森就不認同這個結果，而更願意相信權威查普曼的靜態大氣模型，最後要求帕克這篇文章不要掛他的名字。這篇文章在投稿到《天體物理學報（ApJ）》後連續被拒了幾次。後來帕克的同事，也是ApJ的主編錢德拉塞卡（Chandrasekhar）親自出馬（傳聞兩人在同一間辦公室共事過），錢德拉塞卡雖然沒有看文章中的推導有任何問題，但還是對帕克的結果抱有懷疑。並找帕克確認：「你確定你的計算沒有問題麼？」也許是帕克堅定的回答，又或是錢德拉塞卡曾經被老板愛丁頓殘酷打壓的經曆讓他能憐憫帕克的處境，讓錢德拉塞卡決定幫帕克一次。事後證明這次走後門是無比正確的。1959年，前蘇聯的月球3號衛星，1961年美國的探測者10號衛星，都發現了太陽風的證據，1962年，美國的水手2號衛星，最終確認了太陽風的存在。後來尤利西斯（Ulysses）衛星在1994年穿過太陽南極，1995年穿過太陽北極，給出了至今為止最好的太陽風參數的三維分布圖。
Ulysses衛星得到的太陽風參數在垂直黃道面的分布。
Parker職業生涯的經典之作
除了帕克為之命名的太陽風（Solar Wind），帕克還有一批開創性的成果是以之命名：帕克輸運方程（Parker transport Equation），帕克螺旋線（Parker spiral），帕克不穩定性（Parker instability），帕克極限（Parker limit）。
帕克從1950年代開始宇宙線的研究，在1965年提出了帕克輸運方程<7>，是現在研究宇宙線輸運/調制的標准模型。
1956年的IAU大會上，Sweet構建了反平行磁場結構，並用反平行磁場的湮滅以解釋太陽耀斑爆發<8>。隨後帕克迅速把Sweet的想法數學化<9>，後來被稱為Sweet-Parker機制，也是第一代成功的快速磁場湮滅機制。磁場湮滅現在也有了學名「磁場重聯」，至今依然是日球層物理、等離子體物理領域的研究熱點，帕克的這個工作是磁場重聯的兩篇奠基型文章之一。
帕克螺旋線（Parker spiral， 1958太陽風文章）和行星際磁場。
1955年帕克用磁流體力學（MHD）理論建立的發電機理論去解釋太陽磁場的起源<10>，現在是太陽、恒星、地球等各種天體磁場起源的經典文獻。同年，帕克用磁流體發電機機制解釋太陽黑子形成<11>。在1958年帕克人生最重要的太陽風文章裏也得到了日球層的磁場結構，後被稱為帕克螺旋線<1>。同年，他研究了太陽風和地球磁場的相互作用<12>。他在1960到70年代，他把發電機理論和磁流體理論引入到星系和恒星磁場的研究中，在星系和恒星磁場的起源和結構領域發表了系列文章<13，14，15>；在這裏，帕克把1955年研究太陽黑子形成的Magnetic Buoyancy Instability引入到星系磁場中，後被稱為帕克不穩定性。帕克在70-80年代開始研究宇宙中的磁單極子<16，17，18，19>，並留下磁單極流量極限：帕克極限。
帕克的主要成就。
帕克的主要成就有如下幾個方面：太陽風，宇宙線的輸運和調制，日球層、太陽和星系磁場，磁流體力學（MHD）理論的拓展和應用，磁場重聯。帕克在諸多領域的開創性工作，現在每一項都引領著成百上千人在他所開辟的道路上繼續工作。
2018年，以帕克名字命名的太陽觀測衛星「帕克太陽探針」（Parker Solar Probe）上天，這是至今為止NASA唯一次以在世的科學家命名的衛星。以偉大的太陽物理學家命名的探測器和太陽有了最親密的接觸。
Parker的個人奮鬥與曆史的進程
一個人的成功需要結合個人的奮鬥與曆史的進程。
帕克的個人奮鬥持續了整個職業生涯。帕克1951年博士畢業，博士畢業時並沒有發文章。但是畢業之後帕克就以平均一年3-5篇文章的速度開始爆發了。帕克一生發表了300多篇文章，且絕大部分文章只有一個作者。特別地，帕克有多篇文章極具開拓性，帕克在這些工作中展現了強悍的物理直覺和數學功底。
在提出太陽風的文章中，帕克在物理直覺上完虐其他所有選手。考慮到太陽大氣百萬度的高溫，和比爾曼觀測到的背向太陽方向的彗尾，是不難推測出從太陽吹出的外流粒子。但在1950年代，恒星結構與演化理論已經成熟，錢德拉塞卡、李政道等人的工作<20，21>讓恒星是引力與壓力平衡的觀念深入人心，所以查普曼的靜態太陽大氣模型是更符合當時天體物理學家的口味的。磁流體理論的創立者，諾貝爾獎獲得者阿爾芬（Alfvén）也嘗試解釋第二條彗尾<22>。但是最終得到太陽風解的是帕克，他在太陽風的工作中展現出獨領風騷的物理直覺。
年輕的阿爾芬（Alfvén），磁流體力學（MHD）理論的創立者。
在提出Sweet-Parker模型的過程中，帕克展現了彪悍的數理功底。Sweet在1956年的IAU大會上就提出了他的磁重聯模型，用以解釋太陽耀斑爆發，但是他的模型並不是定量的。會後，帕克迅速給出了完整的Sweet-Parker模型的數學表示，並在1年後發表，而Sweet的文章要等到1958年才正式和大家見面，反而落後了帕克1年。
曆史的進程狀況是：1950年代，帕克開始職業生涯時物理學還處於革命的時代，磁流體理論剛建立不久，他參與到了磁流體理論的拓展和應用中。阿爾芬在1942年提出了阿爾芬波<23>，後建立了磁流體理論。磁流體力學方程組是麥克斯韋方程組（Maxwell Equations）+流體力學。麥克斯韋方程組真正展現出的威力是電氣和信息時代無數的科學家和工程師共同努力的結果。磁流體力學方程組展現威力是在日球層物理和等離子體物理領域，而這其中有一半的功勞要歸帕克所有。帕克還把磁流體理論拓展到星系的研究。
在1950年代之前，人類感知星空的方式只有視覺，而在1950-60年代開始的太空競賽，讓人類開始了用觸覺感知宇宙的時代。在太空時代初期，人類無論摸到什麼都會感到亢奮，一切都是新奇的，輻射帶就是在這樣的背景下被發現的。令人亢奮的發現又不斷刺激著人類向外擴張的欲望，現在飛出太陽系的衛星仍只有1977年發射的旅行者1,2號。那個時代的精神是外向的。
Parker的時代&我們的時代
帕克的文章簡潔、深刻，這也是那個時代的風格。不確定是帕克那批科學家給時代留下的烙印，還是時代給他們留下了「簡潔且深刻」的機會。帕克與錢德拉塞卡是兩位非常類似的科學家，雖然兩人的研究領域相差甚遠。兩人最重要的工作都是從最基礎的理論出發，得到重要的結果。錢德拉塞卡考慮引力和電子簡並壓的平衡得到了白矮星質量上限，帕克考慮引力與太陽大氣壓力的關系得到了太陽風。不同的是，白矮星離人類太遠，至今仍有神秘感，而太陽風就包裹在地球周圍，早已被人類知曉。除此，兩人的人生軌跡也有許多相似，都是年少成名，卻不被大佬認可。錢德拉塞卡被老板愛丁頓無情打壓，後遠渡重洋，與帕克在芝加哥大學成為了同事，後來也在帕克不被大佬認可時拉了帕克一把。兩人的職業生涯都跨越了幾個領域，並在不同領域都做出了傑出的貢獻。錢德拉塞卡等了50多年終於得到了諾貝爾獎，可惜帕克沒有等到就仙逝了。參照最近幾年的諾貝爾獎，帕克只要活著，拿獎就是遲早的事。
錢德拉塞卡（Chandrasekhar）在芝加哥大學。（圖片來源www.news.uchicago.edu/story）
如今人類已向太空中發射了上百顆科學衛星。老實說，21世紀空間項目的發現所帶來的快感是遠不如20世紀太空競賽時代的。雖然探測技術一直在進步，但與上世紀相比並沒有革命性的突破，科學發現的邊際效應在逐漸顯現。美蘇爭霸期間國家意志讓人類首次觸摸到了太空，但冷戰結束以來，人類在太空中的領地是在收縮的。如何讓太空探索變成一個可持續性的事業還需要別的驅動力，除了好奇心。人類也曾無數次的走向海洋，又無數次的退回來，比如鄭和下西洋。最後改變人類文明進程的是被利益驅動的哥倫布和幾艘破船。利益驅動或許是我們這個時代的機會。馬斯克幾乎憑一己之力讓人類把一部分注意力放回太空，回到他少年時的時代，有錢真好。但如何堅持到下一次技術革命還需要人類自身的奮鬥和宇宙的眷顧。
帕克仙逝了，帕克的貢獻將影響每一位追逐星辰大海的人。
參考：
<1> Parker， Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields。
Astrophysical Journal， vol。
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<2> Biermann， Kometenschweife und solare Korpuskularstrahlung。
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<3> Biermann， Über den Schweif des Kometen Halley im Jahre 1910。
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<4> Biermann， Solar corpuscular radiation and the interplanetary gas。
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77， p。
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<5> Edlén， Die Deutung der Emissionslinien im Spektrum der Sonnenkorona。
Mit 6 Abbildungen。
Zeitschrift für Astrophysik， Vol。
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<6> Chapman， The Viscosity and Thermal Conductivity of a Completely Ionized Gas。
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<7> Parker， The passage of energetic charged particles through interplanetary space。
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<8> Sweet， The Neutral Point Theory of Solar Flares。
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<11> Parker， The Formation of Sunspots from the Solar Toroidal Field。
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<14>Parker， The Generation of Magnetic Fields in Astrophysical Bodies。
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<17> Turner， Parker， & Bogdan， Magnetic monopoles and the survival of galactic magnetic fields。
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<19> Parker， Magnetic Monopole Plasma Oscillations and the Survival of Galactic Magnetic Fields。
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<20> Chandrasekhar， The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs。
Astrophysical Journal， vol。
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<21> Lee， Hydrogen Content and Energy-Productive Mechanism of White Dwarfs。
Astrophysical Journal， vol。
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<22> Alfvén， On the theory of comet tails。
Tellus， 9， 92 （1957）， 1957
<23> Alfvén， Existence of Electromagnetic-Hydrodynamic Waves。
Nature， Volume 150， Issue 3805， pp。
405-406 （1942）， 1942
<24> 本文參考了Forrest Mozer教授為Parker教授提名Crafoord Prize寫的推薦信
<25> 李會超在2018年PSP上天時寫的Parker與太陽風的故事比本文的第一部分更為精彩，歡迎大家跳轉。
<26> 最近各大微信公眾號關於Parker的文章歡迎大家跳轉，如王善欽等人的文章。
