對一個奇特的天文現(xiàn)象，

理論學家可以提出幾百個、幾千個模型，

但到底誰是對的？

實踐才是檢驗真理的唯一標準。

陳鵬飛 · 南京大學天文與空間科學學院教授

格致論道第 124 期|2025 年 10 月 25 日 北京

大家好，我叫陳鵬飛，來自南京大學天文與空間科學學院，是研究太陽的。

跟很多科班出身的同事不一樣，我是半路出家。我在南京理工大學的專業(yè)是土木工程。在上個世紀八九十年代，我們國家的房地產(chǎn)蓬勃發(fā)展，土木工程是一個非常熱門的專業(yè)?？墒俏覍こ滩皇悄敲锤信d趣，那時候就想做一個像愛因斯坦那樣的人。在我迷茫的時候，別人告訴我，如果遇事不決，那就量子力學。于是，我自學量子力學，考上了中國科學院近代物理研究所來學物理。

在讀碩士研究生的第二年，有一個很偶然的機會，我聽到了南京大學天文系彭秋和教授的一個報告，突然發(fā)現(xiàn)天體物理才是我的最愛，是我愿意一輩子付出的專業(yè)。于是，我報考了南京大學天文系，跟隨方成教授學習天體物理。

▲左：陳鵬飛與碩士導師張明超研究員（右）

右：在南京大學進行博士論文答辯后在海報前留影

我經(jīng)常用我的這段經(jīng)歷來告訴我的學生們，我們一定要有自己的愛好、夢想和追求。如果有，你一定要去追求你的夢想，不管付出多大的代價。

當然，我并沒有對當初在學的專業(yè)有所懈怠，學土木工程的時候我也是在認真地學，所以我的本科畢業(yè)論文獲得了南理工的優(yōu)秀本科畢業(yè)論文。讀碩士的時候我學的是物理，畢業(yè)論文也獲得了中國科學院近物所的優(yōu)秀碩士論文。等我終于找到了喜愛的天體物理之后，自然我的博士畢業(yè)論文也獲得了全國優(yōu)秀博士論文。所以，我也告訴我的學生們，干一行也要愛一行。

在辯論時經(jīng)常出現(xiàn)的一個話題是：到底我們應該去愛一行干一行，還是干一行愛一行呢？我自己的體會是兩者不矛盾。做一行的時候，先要認認真真把它做好，等到機會成熟再去追求自己的夢想。

太陽也長“雀斑”

已完成：10%//////// //

我是研究太陽的。太陽天天都看得見，它給地球上生命的存在和繁衍提供了恰恰好的光和熱。然而，太陽其實并不總是那么白白凈凈，有的時候臉上也會長“雀斑”，那就是黑子。

太陽黑子為什么是黑色的呢？因為這塊的溫度比周圍要低了1000多攝氏度。這塊溫度為什么低了1000多攝氏度呢？這是因為這個地方的磁場特別強，強磁場會阻礙能量從太陽內(nèi)部傳輸?shù)教柋砻妗?/p>

黑子的出現(xiàn)給太陽帶來了閃光點，給太陽帶來了生機，也產(chǎn)生了大量的活動現(xiàn)象。大家熟知的一個太陽活動現(xiàn)象叫日珥。

日珥其實是懸浮在100萬攝氏度日冕里面的一個低溫物質，只有7000℃，樣子看起來像一個耳環(huán)，所以我們把它叫日珥。通常日珥在太陽上的壽命就三四天、五六天，之后會以爆發(fā)的形式拋射出來。

一旦日珥拋射之后，在它的下方會產(chǎn)生非常壯觀的太陽耀斑，比如下面視頻里的環(huán)狀結構就是一個太陽耀斑。一個太陽耀斑持續(xù)的時間，也就五六十分鐘，但是它所釋放出來的能量相當于100億顆原子彈同時爆炸的總能量。全世界的人口大約80億，一次太陽耀斑產(chǎn)生的能量相當于全世界人手一顆原子彈同時爆炸的總能量。

一個太陽耀斑有多大呢？上面視頻的右上角有一個小圓塊，那就是我們的地球。可見一個太陽耀斑比地球要大得多。

在太陽耀斑發(fā)生的同時，幾十億噸的物質跟隨著日珥一起往外拋射，這形成了一個更壯觀、比太陽都大得多的爆發(fā)現(xiàn)象，叫日冕物質拋射。

日冕物質拋射、太陽耀斑、日珥等所有爆發(fā)現(xiàn)象，我們將其統(tǒng)稱為太陽風暴。太陽風暴產(chǎn)生的幾十億噸的物質，以幾百上千公里每秒的速度朝太空拋出去，其中一部分可能會對著地球撞過來。一旦撞到地球，就會在地球的磁場上產(chǎn)生大小不同的各種擾動，甚至產(chǎn)生地磁暴。

一旦產(chǎn)生強烈的擾動之后，太陽爆發(fā)加速的電子、離子、質子等等，就會給衛(wèi)星表面充電、放電，甚至導致衛(wèi)星報廢。而且這些接近光速的粒子也會轟擊衛(wèi)星的芯片，可能使衛(wèi)星芯片無法工作，衛(wèi)星就作廢了。

太陽耀斑的強烈輻射也會對地球的電離層產(chǎn)生干擾，這可能會讓我們的短波通訊中斷。同時，地磁暴一旦發(fā)生，可能會讓我們的電網(wǎng)、電站癱瘓。

給大家舉兩個著名的例子。第一個例子，在1989年3月，太陽爆發(fā)了一次非常劇烈的太陽耀斑，有幾十億噸的物質以2000公里每秒的速度朝我們撞過來。不過，不是朝著我們所在的北京，而是加拿大魁北克省，它把魁北克省一個水電站的變壓器燒毀了。這個水電站負責的是魁北克省的用電。所以，在寒冷的3月冬天，600萬人在饑寒交迫之中度過了9個小時。

第二個例子，在2022年2月，馬斯克一次性發(fā)射了49顆衛(wèi)星。很不巧的是，太陽在這個時候爆發(fā)了一次不大不小的太陽耀斑，使得這49顆衛(wèi)星里面的40顆衛(wèi)星墜毀到大氣層。網(wǎng)民開玩笑說，馬斯克放了一次非常盛大的煙火。

正是因為太陽爆發(fā)活動每年對人類高科技產(chǎn)生的破壞達到了幾十億人民幣，所以，太陽物理研究不只是一個基礎學科，一個對天文現(xiàn)象的研究，它其實對我們的國計民生也有非常重大的影響。

既然太陽黑子會帶來這么多麻煩，是不是如果太陽上沒有黑子的話，世界就更美好了？其實不然，因為這個事情曾經(jīng)發(fā)生過。

400年前，太陽持續(xù)了70年時間幾乎沒有黑子。這段時間在天文上叫蒙德極小期，正好對應地球小冰期溫度最低的一段時期。那個時候，英國的泰晤士河都結冰了，大家不用走倫敦橋，直接在河面上就可以過河了。大家都在河上面擺攤。

而且，因為氣溫降低，全世界農(nóng)作物大量減產(chǎn)，老百姓食不果腹。所以有學者認為，這次的小冰期也可能是明朝滅亡的一個主要原因。

太陽這個領域跟天文的其他領域有一個很大的不同，那就是其他領域都需要加班，晚上的時候去觀測，而太陽是白天出來，所以我們想加個班都不行，因為太陽下山了。但是，我喜歡加班，喜歡“做牛馬”，所以就選擇了不通過觀測來研究太陽，而是通過計算機模擬來研究太陽現(xiàn)象。這樣的話，即使太陽下山了，只要有電，我還可以加班。

怎么通過計算機模擬來研究太陽爆發(fā)現(xiàn)象呢？通常是我們通過編程序，利用計算機去算，然后試圖去理解太陽爆發(fā)現(xiàn)象的一些規(guī)律和物理本質。我舉兩個例子來告訴大家如何通過數(shù)值模擬（也就是計算機模擬）來研究太陽爆發(fā)現(xiàn)象。

預報太陽天氣

已完成：40%/////////

既然太陽爆發(fā)每年會給全人類帶來幾十億人民幣的損失，那能不能像天氣預報一樣，預報太陽爆發(fā)？如果能成功預報，就可以減少很多損失。很多人在思考這個問題，其中就包括著名物理學家理查德·費曼的妹妹——瓊·費曼。哥哥聰明，妹妹也厲害，是我們的同行。

▲查德·費曼（左1）和妹妹瓊·費曼

在中國我們會說“山雨欲來風滿樓”，任何一個大的事情發(fā)生之前會有一些先兆。所以，瓊·費曼就思考一個問題：日珥在爆發(fā)的前一天，太陽上面發(fā)生了什么？

下面左邊的圖顯示的是平常的日珥，這時候不會爆發(fā)。在日珥周圍的綠色線是磁力線，是我手繪的。磁力線從左邊出來，叫正極，到右邊下去，叫負極。

▲左：安然無恙的日珥

右：將要爆發(fā)的日珥

如果周圍的環(huán)境不發(fā)生什么改變，這個日珥就在那頤養(yǎng)天年，安然無恙，歲月靜好。但是瓊·費曼發(fā)現(xiàn)一個很有趣的規(guī)律，日珥在爆發(fā)前一天，在日珥的旁邊會有新的黑子冒出來，就是圖中的藍色磁力線。而且，她還發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的規(guī)律，只有新黑子朝上的正極靠近原來日珥朝下的負極，正負抵消，才會產(chǎn)生太陽爆發(fā)。如果是相同方向的磁場靠近，那就不會爆發(fā)。

這個規(guī)律發(fā)現(xiàn)之后，在國際上引起了很大的反響，大家都覺得非常有用，可以用來預報太陽爆發(fā)。但是，大家知其然，不知其所以然。這個時候，我們提出了一個模型。

日珥是懸浮在太陽表面以上，在日冕里面，它的磁場從左邊出來是正極，從右邊下去是負極。如果在爆發(fā)的前一天，有個小黑子從太陽內(nèi)部冒出來，而且黑子磁場的正極正好靠著原來的負極，正負就會抵消，磁力線之間就會重新連接，會連到右邊去。重新連接的這一段磁力線就像彈弓一樣，會獲得一個像彈弓的張力來加速物質往上運動，正是這個張力使日珥開始拋射。這是我們的一個理論模型、一個想法。

這個想法對不對呢？我們用計算機來計算了一下，做了一個模擬，結果發(fā)現(xiàn)真的是這樣。當一個正負抵消的磁場冒出來之后，日珥就失去平衡，爆發(fā)了，也完美地解釋了瓊·費曼發(fā)現(xiàn)的有趣規(guī)律。

這個文章到現(xiàn)在為止被引用了475次，是我自己所有發(fā)表文章里引用最高的文章之一。但是，這個工作并不是我最引以為豪的工作，我最引以為豪的工作跟太陽海嘯有關。

被證實的預言

已完成：70%//////////

1998年，美國同行湯普森和同事發(fā)現(xiàn)了一個意料之外的波動現(xiàn)象，叫太陽海嘯。一旦大的太陽耀斑發(fā)生之后，會在太陽表面激發(fā)起海嘯，跟我們地球上的海嘯一樣，我們把它稱為太陽海嘯。

太陽海嘯發(fā)現(xiàn)之后，引起了國際同行非常大的興趣，因為非常有趣。只要這個海嘯發(fā)生在太陽中心附近，100%會有幾十億噸的物質以幾百上千公里每秒的速度朝著地球撞過來。

開始的時候，大家試圖理解這個海嘯、這個傳播到底是一個什么樣的波？那個時候，全世界幾乎所有人都認為，太陽海嘯就是一種磁聲波。所謂的磁聲波就像聲波一樣，我說話你們聽得見，就是因為聲波傳播。只是因為太陽上的聲波會跟磁場耦合在一起，我們就把它叫磁聲波。

然而，德國同行發(fā)現(xiàn)一個很怪異的現(xiàn)象，那就是太陽海嘯跑得太慢了，它只有太陽大氣里磁聲波速度的1/3，這就變得不可調(diào)和了。太陽海嘯的速度是磁聲波的1/3，所以，它不可能是一個磁聲波。在那個時候，大家莫衷一是，公說公有理，婆說婆有理。

▲太陽海嘯的速度僅磁聲波速度的 1/3

我依然記得，2008年，在有這種爭論的情況下，世界空間科學大會在加拿大舉行。組織者特意安排了一個專場，邀請了國際上三位專家就這個話題進行辯論，包括一位來自歐洲的專家、一個來自美國的專家，以及來自中國的我。在全世界同行面前，中歐美三方唇槍舌劍，簡直上演了一場太陽物理界的“三國演義”。

與此同時，在幾年之后的2014年，瑞士國際空間科學研究所也組織了一場太陽海嘯的專題研討會。參加會議的9個全世界代表里面，8個人依然堅信太陽海嘯就是磁聲波，只有我認為太陽海嘯不是磁聲波，所以我是1:8，像諸葛亮一樣舌戰(zhàn)群儒，雖千萬人，吾往矣。

▲2014年瑞士國際空間科學研究所太陽海嘯專題研討會

我是如何來解釋太陽海嘯的速度只有磁聲波速度三分之一的呢？如下圖所示，日珥是太陽上突出的一個耳環(huán)狀結構，紅線就是日珥上方的磁力線?？偹苤?，磁聲波走直線，所以日珥一旦爆發(fā)，它的磁聲波會走直線從C點傳到D點，所以傳得快。

但是，太陽海嘯的速度只有磁聲波的1/3，所以我就提出，太陽海嘯不是走直線，而是受磁場的影響，沿著磁力線拐彎地走。也就是說，太陽海嘯是從A點傳到C點，有第一個海嘯波前，再從A點往上傳到B點，再拐個彎傳到D點，便有了第二個海嘯波前。

這樣一來，傳播的路徑遠了，時間也長了，表觀的速度看起來就慢了，算下來正好是1/3。這就完美地解釋了為什么太陽海嘯的速度是磁聲波的1/3。我的這兩個工作成果都被美國同行寫到他們的研究生教科書里了。

有了這個想法，我們也要做數(shù)值模擬。在我們做的模擬中，隨著日珥從太陽表面往上拋射，首先產(chǎn)生了一個紅色的磁聲波，它的速度非?？臁５窃诖怕暡ǖ暮竺?，還有一個深藍色的波慢慢地傳，速度正好是磁聲波的1/3，證實了太陽海嘯不是磁聲波。

怎么去實際證明我的模型是對的呢？這個模型中，我做了一個預言，認為當初發(fā)現(xiàn)太陽海嘯的望遠鏡給太陽拍照的時間間隔太長了，如果將來發(fā)射望遠鏡拍攝太陽圖片更頻繁的話，應該能觀測到兩個波動，一個是太陽海嘯，另一個是在太陽海嘯前面的磁聲波。

在我這篇文章發(fā)表、預言提出十年之后，終于，美國發(fā)射了一顆新的衛(wèi)星。這時候，國內(nèi)外有大量的同行發(fā)表文章證實，他們確實看到了一個跑得快的波和一個跑得慢的波。跑得慢的是太陽海嘯，前面跑得快的就是磁聲波，而且它們速度的比值差不多就是3:1，完美地證實了我們當初的預言。

這件事情告訴我們一個重要的道理，對一個奇特的天文現(xiàn)象，理論學家可以提出幾百個、幾千個模型，但是到底誰是對的？只有實踐才是檢驗真理的唯一標準。這時候，我也意識到了通過觀測研究太陽的重要性，所以在讀博士、做計算機模擬研究十年之后，我開始也做一些太陽觀測的研究了。

第100顆衛(wèi)星

已完成：90%//////////

我的導師方成老師，其實非常重視觀測。當初在1980年，他克服種種困難建成了我們國家第一座太陽塔。

▲左：方成院士

右：我國第一座太陽塔

后來，隨著南京逐漸向一線城市靠攏，市區(qū)不再適合觀測了，方老師就帶著我們?nèi)ピ颇掀恋膿嵯珊希艘粋€光學與近紅外太陽探測望遠鏡。

▲光學與近紅外太陽探測望遠鏡

目前，我們團隊正在研制一臺2.5米的太陽望遠鏡，這個是國內(nèi)最大的太陽光學望遠鏡，計劃2026年底建成，放在四川省稻城海拔4700米的無名山。等到這個望遠鏡建成之后，我估計“無名山”會變成“有名山”。

▲2.5米大視場高分辨率太陽望遠鏡

地面的望遠鏡很好，但也有很多不足：

第一，地球的大氣存在很多擾動；

第二，在地面上觀測，一個地方只能觀測7到8個小時，太陽下山就看不著了；

第三，日珥爆發(fā)在早期的速度非常緩慢，如果要預報日珥是否會爆發(fā)，物質是否會撞到地球，目前沒有望遠鏡能夠探測出來。大風起于青萍之末，我們希望探測到爆發(fā)早期的微小速度。

最后，雖然太陽海嘯的研究已經(jīng)趨于平息，但依然還有很多未解之謎，比如說，并不是每一個太陽海嘯的前面都會有磁聲波。我們希望做一臺望遠鏡，發(fā)射到天上去，離開地球大氣的干擾，從而探測更多太陽海嘯前面的磁聲波。

基于以上的原因，我們南京大學羲和團隊經(jīng)過了6年的奮斗，在航天部門的協(xié)力下，終于研制出全國第一顆太陽探測衛(wèi)星“羲和號”。2021年10月14號，羲和號衛(wèi)星被送上太原衛(wèi)星發(fā)射中心的發(fā)射架，這是太原衛(wèi)星發(fā)射中心自建立以來發(fā)射的第100顆衛(wèi)星，整整第100顆。

這顆衛(wèi)星非常成功，下面這個圖片就是羲和衛(wèi)星拍攝到的太陽像。

到目前為止，全世界15個國家的同行都在使用我們的數(shù)據(jù)。2024年，我在比利時參加一個國際會議，英國同行對羲和衛(wèi)星的數(shù)據(jù)大加贊賞。下面是一個日珥爆發(fā)的視頻，羲和拍到的。一個日珥爆發(fā)之后，產(chǎn)生壯麗的太陽耀斑。

以前的望遠鏡只能看到日珥的存在，如果它在緩慢地朝著我們拋射，從圖像上你是看不出來的，而我們羲和衛(wèi)星看著了。圖中藍色的是指（多普勒）藍移，它在朝著我們運動，紅色部分就是物質在往下掉落。

尤其讓我激動的是，羲和衛(wèi)星還探測到非常多的太陽海嘯前面的磁聲波。

在這個成功的基礎上，我們羲和團隊正在研制“羲和二號”，將來要再發(fā)射一顆衛(wèi)星到第五拉格朗日點。太陽、地球和第五拉格朗日點組成一個等邊三角形，也就是說讓“羲和二號”在第五拉格朗日點以旁觀者清的角度去監(jiān)測太陽爆發(fā)如何從太陽傳到地球。

多年以后，當我站在大家面前的時候，我依然會記得在4年零11天前的夜晚（2021年10月14日）——在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，當冒著熊熊烈焰的長征二號丁運載火箭攜帶著羲和衛(wèi)星沖破漆黑的夜幕，去追尋太陽的光芒時，我的內(nèi)心的想法是：我們的事業(yè)和國家的命運，都在蒸蒸日上。

謝謝大家。

本文轉載自《格致論道講壇》微信公眾號

《物理》50年精選文章