“磁流體力學(xué)”（英文：MHD, Magnetohydrodynamics）是等離子體物理領(lǐng)域的一個(gè)學(xué)術(shù)名詞。這個(gè)單詞中，Magneto-表示“磁的”，漫威X戰(zhàn)警中最知名的人物之一萬(wàn)磁王，其英文名就是Magneto；hydro-表示“水的，流體的“，dynamic表示”動(dòng)力的“，合在一起就是”磁流體動(dòng)力學(xué)“的意思，中文后來(lái)采用的規(guī)范表述即是“磁流體力學(xué)”。

▲漫威X戰(zhàn)警中最知名的人物之一萬(wàn)磁王

顧名思義，磁流體力學(xué)是采用流體的方法研究電磁性流體，即等離子體，與經(jīng)典流體力學(xué)處理的對(duì)象——中性流體——不同之處在于，等離子體是大量帶電粒子組成的、宏觀呈現(xiàn)準(zhǔn)中性的復(fù)雜系統(tǒng)。由于帶電粒子之間庫(kù)侖相互作用的存在，帶電粒子運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)影響帶電粒子運(yùn)動(dòng)，加上電子和離子巨大的質(zhì)量差異，等離子體中存在大量豐富的電磁波動(dòng)現(xiàn)象，從頻率高達(dá)1018Hz的X射線波段，到頻率低到kHz甚至10-3Hz的阿爾芬波段，都可以在等離子體中產(chǎn)生和傳播。如何準(zhǔn)確描述這樣一個(gè)復(fù)雜電磁體系是等離子體物理研究人員首先要面臨的問(wèn)題。

1942年，瑞典電氣工程師和物理學(xué)家漢尼斯·阿爾文（Hannes Alfvén ）在自然雜志發(fā)表文章《Existence of Electromagnetic–Hydrodynamic Waves》，其中首次提出了后來(lái)被稱作阿爾芬波的波動(dòng)現(xiàn)象。他本人也因?yàn)檫@一工作獲得了1970年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

▲“磁流體力學(xué)”之父Hannes Alfvén，1942年

最開(kāi)始，阿爾文采用的說(shuō)法是“electromagnetic–hydrodynamic waves（電磁流體動(dòng)力波）”，但隨后他指出：As the term “electromagnetic-hydrodynamic waves” is some what complicated, it may be convenient to call the phenomenon “magnetohydrodynamic” waves. （由于“電磁流體動(dòng)力波”這個(gè)術(shù)語(yǔ)有些復(fù)雜，為了方便起見(jiàn)，可以將這種現(xiàn)象稱為“磁流體動(dòng)力波”。）這標(biāo)志著MHD（magnetohydrodynamic）的正式誕生。阿爾文還提到，之所以沒(méi)有采用更簡(jiǎn)短的“hydromagnetic”，是因?yàn)檫@個(gè)表述不夠精確。盡管1983 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)天體物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢(qián)德拉塞卡（S. Chandrasekhar）在1950年代集中研究磁流體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)時(shí)，于1961年了出版關(guān)于MHD的經(jīng)典著作 《Hydrodynamic and Hydromagnetic stability》，無(wú)視阿爾芬關(guān)于hydromagnetic不夠準(zhǔn)確的觀點(diǎn)，繼續(xù)采用hydromagnetic的稱呼，但是最終，學(xué)術(shù)界還是普遍采用了MHD的說(shuō)法。

▲1983 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)天體物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢(qián)德拉塞卡（S. Chandrasekhar）

國(guó)內(nèi)外關(guān)于MHD的教材有很多，其中影響力最大也最為經(jīng)典的是MIT教授J.P. Freidberg基于自己的科研和教學(xué)經(jīng)歷，于1987年出版的《Ideal Magnetohydrodynamics》。國(guó)內(nèi)影響力最大、被中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等離子體物理專業(yè) “等離子體電磁流體力學(xué)“課程多年當(dāng)作教材使用的，則是由我國(guó)著名等離子體物理學(xué)家胡希偉先生1987年整理印刷在中科大任教時(shí)的講義的第一部分。近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有若干其他磁流體力學(xué)的教材出版，由于作者背景的不同，側(cè)重點(diǎn)自然不一樣。如南大出版社2023年出版的《磁流體力學(xué)》聚焦于天體物理、空間物理等領(lǐng)域所需的磁流體力學(xué)的基本概念、基本理論、基本方法和應(yīng)用；北大出版社2024年出版的《托卡馬克磁流體力學(xué)理論》則較為系統(tǒng)介紹了托卡馬克中磁流體力學(xué)的各種不穩(wěn)定性，但從難度上看，并不適合作為低年級(jí)研究生教材。本書(shū)（《磁流體力學(xué)基礎(chǔ)》）是根據(jù)作者過(guò)去五年在科大教授研究生磁流體力學(xué)課程的講義編著而成，一方面有確鑿的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)效果檢驗(yàn)和學(xué)生反饋，一方面有胡希偉先生的珠玉為藍(lán)本，使得本書(shū)從內(nèi)容廣度、深度和數(shù)學(xué)難度上綜合來(lái)看，皆為等離子體物理專業(yè)低年級(jí)研究生必修課程教材的不二之選。

▲托卡馬克的磁場(chǎng)和磁面示意圖

舉例來(lái)說(shuō)，在第一章中增加了曲線坐標(biāo)系和環(huán)形約束系統(tǒng)中磁場(chǎng)來(lái)龍去脈的詳細(xì)推導(dǎo)，對(duì)以磁約束聚變?yōu)檠芯糠较虻难芯可鷣?lái)說(shuō)，深入淺出的數(shù)學(xué)過(guò)程和物理圖像分析，讓學(xué)生真正做到了“知其然，知其所以然“，在以后的科研工作中，不再是被動(dòng)的”拿來(lái)主義“。第五章中增加了對(duì)氣球模不穩(wěn)定性的詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)。作為磁約束聚變等離子體物理領(lǐng)域知名的一種不穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)的教科書(shū)上卻很少有對(duì)其非常系統(tǒng)的介紹。對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有基本公式的一步一步建立演示，而只是給出結(jié)論性的表達(dá)式和泛泛而談的物理圖像，實(shí)則并無(wú)多大裨益。

當(dāng)然，本書(shū)依然存在一些缺點(diǎn)：由于作者個(gè)人的理論背景，在數(shù)值和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域方面的介紹較為匱乏；由于教學(xué)時(shí)長(zhǎng)的限制，作者對(duì)撕裂模的數(shù)學(xué)和物理圖像未作任何介紹，堪稱遺憾。也許本書(shū)以后再版，作者可以補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，使得本書(shū)可以成為一本更加完善的“磁流體力學(xué)“基礎(chǔ)教材。

書(shū)名：磁流體力學(xué)基礎(chǔ)

?♂? 作者：任海駿

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)基于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生專業(yè)課程“等離子體電磁流體力學(xué)”的講義整理而成。全書(shū)系統(tǒng)地闡述磁流體力學(xué)方程組及其基本性質(zhì)、磁流體力學(xué)平衡、磁流體力學(xué)波與磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性等核心內(nèi)容，并對(duì)慣性約束內(nèi)爆中的流體不穩(wěn)定性作專題介紹。在阿爾芬波連續(xù)譜的論述中，引入奇異攝動(dòng)理論的基本知識(shí)，為讀者后續(xù)自行研讀撕裂模相關(guān)的邊界層理論奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，專門(mén)講解曲線坐標(biāo)系的基礎(chǔ)概念，詳細(xì)分析環(huán)形約束裝置中的磁場(chǎng)位形與磁面坐標(biāo)。在討論磁流體平衡時(shí)，還納入近年來(lái)備受關(guān)注的各向異性效應(yīng)、環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)平衡流等物理因素對(duì)托卡馬克平衡的影響，反映該領(lǐng)域的最新研究動(dòng)態(tài)。

本書(shū)適合作為高等學(xué)校物理專業(yè)的教材或教學(xué)參考書(shū)，也可供相關(guān)專業(yè)師生及科技工作者參考。