距离帕克太阳探测器发射升空已经过去了7个多月,太阳对于我们来说仍然有很多未解之谜。有关太阳活动的研究经历了哪些过程?太阳风从哪里起源?一起来听听汪景琇院士怎么说~
演讲原文:
几个月前,帕克太阳探测器成功发射,它将在在七年多的时间内,借助行星引力加速,逐渐逼近太阳。这是人类历史上最复杂、最具有挑战性的一个科学计划,它所聚焦的主要科学问题是日冕为什么有百万度的高温?为什么会比太阳表面温度高了一百倍以上?太阳风是从哪里起源的?太阳活动又是怎么发生的?这使我想起一位中国先贤在2300多年前的一个伟大畅想。
屈原写道“折若木以拂日兮,聊逍遥以相羊”,意思是要折下若木的枝叶去擦拭太阳。他在完成了这一著名诗篇《离骚》之后,又写下了《天问》,对宇宙形成的问题做了很深的思考。比如,宇宙最初形成的情景是谁把它传述下来的?那个时候上下未形,黑夜和白天不分,整个宇宙一片灰暗,人类又是怎样来探索它、揭示它的奥秘?后来在朦胧的宇宙中有了结构,有了光,这又是怎么安排的?2000多年前,我们哲人的思考就已经跟近代宇宙学关于从宇宙黑暗时期到怎么有光、有了结构有点未谋而合。
人类对宇宙的探索从未停止过。从哥白尼到伽利略,从科学实验和天文观测,到行星三大定律,直到发现万有引力,创立牛顿力学,科学探测成了科学方法的灵魂。科学思想必须经过实践的检验,那些不能被实践检验的学说就会被人们所抛弃。科学素养也在科学探索中得到了培育和发展,成为了全社会和科学探索的财富。
爱因斯坦在牛顿诞辰300周年,总结第一次天文学的革命时说,那些为现代技术发展所不可缺少的理智工具,主要来自对星空的观察。进入21世纪,天文学迎来了它的第二个黄金时代,成为了一个最具有革命性的学科,推动着自然科学和人类思想的发展。自21世纪以来,天文学已经有了六项成果,分享了五个诺贝尔物理学奖。从中微子的发现、中微子振荡、宇宙X线的发现,还有微波背景的不均匀性、宇宙加速膨胀,到去年发现引力波,天文学的成就呈井喷之势。
在科学的探索当中,科学素养也逐渐得到了发展,成为科学和社会发展的宝贵财富。所谓科学素养是指对科学术语和概念的基本理解,对科学研究的方法和过程的基本理解,对科学技术、对社会和个人所产生的影响的基本理解。
科学素养是培育科学发展的沃土,而浇灌这个沃土的是科学研究的成就和科学普及的进步。卡尔·波普说过一句话,为了寻求一个更美好的世界,科学不应当是“一个封闭圈子中的专家所独有的财产”,应该为公众所理解,并为社会服务。
我是做太阳研究的,长期观察太阳的磁场和太阳的活动,所以我想和大家分享一下对太阳活动研究的梗概。几千年前人们就开始观测太阳黑子,那个时候有很美好的神话,有很多的幻想。一个很重要的发展是望远镜的发明,望远镜的观测给了我们很多的经验的和统计的规律。接着一个很重要的进步是物理学的发展,太阳物理学家开始用物理学的方法诊断太阳黑子的本质,在地球之外第一次发现了磁场。这些研究不仅仅终止在这里,大家开始研究过程、研究联系,所以又有了对太阳活动的系统观测。在这个基础上,理论得到发展,阿尔文创建了宇宙电磁流体力学,并在1970年获得诺贝尔物理学奖。
空间的观测对太阳研究有了巨大的推动。人类超出了地球大气的限制,可以做全时段、全波段和高分辨率、高精度光谱偏振的观测。而后,辐射磁流体力学的三维数值模拟得到了发展。人们又注意到,为了理解一些重要的、关键的物理过程,必须重回实验室。磁重联和粒子加速的实验室模拟开始了。
很快太阳物理学家把它们得到的这些理论、经验,扩展到了其他的天体物理领域,包括恒星活动、人类在系外的宜居性。空间天气和空间气候的概念也得到了发展,成为天文学服务于社会、服务于高技术的发展、服务于人类生存环境很重要的一个学科。但是太阳物理学家还没有满足,有许多关键的科学问题未解决,比如日冕为什么有百万度的高温?携带高能粒子的太阳风是怎样发生的?所以我们又开始了太阳探针计划、太阳轨道器计划。这里我必须提到在这个过程中一个里程碑式的贡献,就是黑尔1908年发现太阳黑子的磁场,这是人类第一次用物理学的方法来诊断天体的一个对象。
另外我们看到了大量的伴随着太阳磁场快速变化的X射线辐射。宇宙X射线辐射的观测也是很早从太阳开始,获得了2002年的诺贝尔物理学奖。在黑子之外,我们还看到太阳上到处有小尺度的磁场,这些小尺度磁场非常小,在太阳表面大概只占据一百公里大小的范围,而且寿命极短,处于强烈的湍动状态。
这些观测经常让我想到我的合作导师、加州理工学院Harold Zirin教授的一段话。他说, 像绿色的草场和原始森林,太阳的米粒、黑子和高雅飘逸的日珥呈现着大自然纯粹的美丽,给予那些致力于研究它们的人们以美学的欢乐和科学的挑战。Zirin教授为了这份美丽和挑战,贡献了自己的一生。他的精神对我来说一直是一个很大的鼓励。
如今,也许会改写历史和教科书的帕克太阳探测器已经成功发射。人类从非洲大草原走出,走向欧洲、亚洲、美洲和整个蓝色星球;又走向太空、登上月球、走出太阳系的边界、去触摸太阳,寻找我们的外星邻居,开始和继续着认知我们的家园、我们自身和生活其中的宇宙奥秘的征程。(蔡琳 封面图来源:NASA)