2022年3月15日，尤金·帕克逝世，享年94歲。帕克天縱英才，30歲時就嚴格證明太陽風的存在，并因此聲名大噪。在60年的學術(shù)生涯中，他以唯一作者的身份發(fā)表了200多篇研究論文，重塑了人類對太陽物理、等離子體物理、各種尺度上的磁場的性質(zhì)的認識?，F(xiàn)在，以他的姓命名的價值15億美元的“帕克太陽探測器”正繼承他的遺志，破解太陽的秘密。盡管帕克不再與我們同在，但他的發(fā)現(xiàn)與學術(shù)遺產(chǎn)會永遠伴隨著人類。

撰文?|?王善欽

芝加哥當?shù)貢r間的2022年3月15日，杰出的物理學家、天體物理學家與地球物理學家尤金·帕克（Eugene Newman Parker）逝世，享年94歲。

帕克20多歲時就已成為年輕的學術(shù)權(quán)威，在30歲時更因其在太陽風理論中的決定性貢獻而名震天下，此后又在太陽物理、等離子體物理、空間物理等眾多領(lǐng)域繼續(xù)工作超過半個世紀，得到的一系列重要成果深刻改變了這些領(lǐng)域的面貌。

本文介紹帕克傳奇、勤奮而智慧的一生。

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沉迷物理的年輕人

1927年6月10日，帕克出生于密歇根州北部的霍頓市。在晚年接受訪談時，他說，當他還是一個小孩子時，就對萬物的運作規(guī)律非常感興趣[1]。在讀高中時，帕克就沉迷物理，不可自拔。高中畢業(yè)后，帕克進入密歇根州立大學，攻讀物理學專業(yè)。

圖1：年輕時的帕克。丨來源：https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

1948年，21歲的帕克大學畢業(yè)，獲得學士學位，隨后到加州理工學院攻讀博士學位，研究領(lǐng)域是星際塵埃與氣體的結(jié)構(gòu)。3年后，帕克獲得博士學位。

在本科與博士期間，帕克在電磁學與流體力學方面打下了非常扎實的基礎(chǔ)，為其后來在多個領(lǐng)域內(nèi)的汪洋恣肆的研究提供了最拿手的工具。

帕克研究的領(lǐng)域可被歸納為兩大類：第一類是地球、太陽、太陽系、星系的磁場的性質(zhì)；第二類是等離子體的性質(zhì)。等離子體是高溫氣體被分解成的正離子與電子的混合體。太陽就是一團被引力束縛的等離子體。流動的等離子體自然伴隨磁場，所以這兩大類又交叉在一起。

圖：由太陽動力學天文臺（SDO）獲得的紫外數(shù)據(jù)合成的偽色圖像。這與我們在可見光波段直觀上看到的紅黃色的太陽倒是很像。丨來源：NASA/SDO (AIA) ?(Public Domain)

1951年，24歲的帕克到猶他大學當了4年的講師與助理教授。從1952年開始，帕克向世人展示其學術(shù)才能與創(chuàng)造力，在多個領(lǐng)域得到重要成果。

根據(jù)美國國家航天局（NASA）的天體物理學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（ADS），從1952年到1957年，帕克以第一作者身份發(fā)表了20篇論文，其中6篇在《天體物理學雜志》（ApJ），2篇在《天文學雜志》（AJ），7篇在《物理評論》（PR），2篇在《地球物理學研究雜志》（JGR），1篇在《自然》，1篇在《美國科學院院刊》（PNAS），1篇在《應(yīng)用物理雜志》（Journal of Applied Physics）。這20篇第一作者論文僅有一篇有一個合作者，其他的都是唯一作者論文。

這些論文跨越了物理學、天體物理學與地球物理學，研究了星際氣體與塵埃的動力學性質(zhì)與引力不穩(wěn)定性、太陽電離區(qū)的湍動與聲波學、一般流體的湍動性質(zhì)、壓縮流體的聲波輻射、熱場的不穩(wěn)定性、太陽耀斑的形成機制、磁流體動力學波與宇宙線加速、磁流體發(fā)動機理論、太陽磁流體發(fā)動機理論、地磁暴等眾多課題。

圖2：太陽耀斑爆發(fā)時的13.1納米波長的X射線圖像。太陽耀斑爆發(fā)時，太陽局部區(qū)域會突然變亮。丨來源：NASA Goddard Space Flight Center (Public Domain)

此時，年僅30歲的帕克已經(jīng)是一個可畏的后生，一個年輕的學術(shù)領(lǐng)袖。因為持續(xù)、穩(wěn)定而高質(zhì)量的學術(shù)成果，帕克于1955年順利跳槽到芝加哥大學。

也許你會奇怪，為什么上面只統(tǒng)計到1957年為止的論文？這是因為，他將在1958年迎來了學術(shù)生涯的一個傳奇。

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日冕、彗星尾巴與“太陽微粒輻射”

1957年開始，帕克開始密切關(guān)注與日冕溫度有關(guān)的課題。日冕是覆蓋在太陽外部的一層高溫稀薄氣體。在日食發(fā)生的時候，可以很輕松地觀測到它，其形狀就像一個帽子，因此國外天文學家用“王冠（crown）”的拉丁文“corona”來命名它，中文將其翻譯為“日冕”。此前的天文學家在觀測日冕時，確認了其中存在高度電離的鐵離子，據(jù)此計算出日冕的溫度超過100萬攝氏度。

圖3：1999年日全食期間，在法國拍攝到的圖像，圖中淺灰色的就是日冕。實際上的日冕的延伸范圍要遠得多，在圖上看不出來。丨來源：Luc Viatour

英國數(shù)學家與地球物理學家查普曼（Sydney Chapman，1888-1970）在1954年發(fā)表的一篇論文中計算了高溫日冕的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)日冕的導熱性非常好，熱流會向空間彌散，超過地球的軌道。

圖4：查普曼丨來源：Public Domain

帕克當然注意到了查普曼的這篇重要論文。但是，帕克還注意到了對彗星尾巴（彗尾）的研究以及“太陽可能在不斷發(fā)出帶電粒子”的相關(guān)假設(shè)。

這兩個課題實際上在此前就一直糾纏在一起。

早在1859年，英國業(yè)余天文學家卡琳頓（Richard C. Carrington，1826-1875）與霍格森（Richard Hodgson，1804-1872）分別獨立地觀測到太陽局部亮度突然劇烈增大的現(xiàn)象——耀斑，接下來的一些天，地球上發(fā)生了猛烈的地磁暴?？疹D猜測耀斑與地磁暴之間存在關(guān)系。愛爾蘭物理學家菲茲杰拉德（George Francis FitzGerald，1851-1901）提出，太陽表面的物質(zhì)被加速后，在幾天之后來到地球，引發(fā)了地磁暴。[2]

圖5：菲茲杰拉德丨來源：Public Domain

對彗尾的研究，讓天文學家有了另一個思路。天文學家發(fā)現(xiàn)，彗星的“氣體尾”總是“躲著”太陽。1910年，英國天文學家愛丁頓（Arthur Eddington，1882-1944）在一篇研究彗星的論文的腳注提出：來自太陽的一大群離子會對彗星造成影響。在此之前他已經(jīng)提出類似想法，只是當時他猜測那是帶負電的電子。

圖6：彗尾。Gas tail為氣體尾，Dust tail為塵埃尾。丨來源：NASA Ames Research Center/K. Jobse, P. Jenniskens (Public Domain)

圖7：愛丁頓丨來源：Public Domain

挪威天文學家博克蘭德（Kristian Birkeland，1867-1917）在詳細考察了北極光之后，認定地球持續(xù)受到來自太陽的帶電粒子的轟炸，并于1916年首次提出：太陽噴發(fā)出的粒子既有帶負電的電子，又有帶正電的離子。

圖8：博克蘭德丨來源：Public Domain

圖9：NASA的衛(wèi)星“磁層頂-極光全球探索成像儀”(IMAGE)拍攝到的南極光丨來源：NASA（Public Domain）

1951、1952與1957年，德國天文學家比爾曼（Ludwig Biermann，1907-1986）在3篇論文里研究了彗尾的性質(zhì)，也提出猜測：太陽發(fā)出的帶電粒子影響了彗尾的朝向。他將這些粒子稱為“太陽微粒輻射”（solar corpuscular radiation），并指出，它們的速度大約是每秒500到1500千米。

圖10：比爾曼丨來源：http://phys-astro.sonoma.edu/brucemedalists/ludwig-biermann

帕克認為，查普曼提到的“彌散到空間的熱流”與比爾曼猜想到的影響彗尾方向的“太陽微粒輻射”就是一回事，它們都來自熾熱的日冕。

經(jīng)過嚴密的數(shù)學推導，帕克證明，由于日冕是熱的良導體，其外層依然可以達到幾百萬攝氏度，其中的粒子因此具有很高的平均動能；而外層日冕的粒子受到的引力較弱。

這兩個因素會使外層日冕中的粒子足以克服太陽引力束縛，并以超過音速的速度脫離日冕，形成高速的“太陽微粒輻射”。

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打擊與反轉(zhuǎn)

1958年1月2日，ApJ編輯部收到帕克的論文。按照標準流程，編輯將其發(fā)送給一個審稿人。

審稿人拒絕了帕克的論文。審稿人說：“好吧，我建議帕克在嘗試寫論文之前，先到圖書館讀讀相關(guān)學科（的論著），因為這篇論文完全是在胡說八道?！?span id="s0sssss00s" class="font-size-12">[3]除了這個評論外，審稿人懶得給出針對論文細節(jié)的任何評論。

傷害性不大，侮辱性極強。

更悲催的是，編輯部找的第二個審稿人也拒絕了這篇稿子。

在帕克的論文被兩個審稿人拒絕后，當時ApJ的主編錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）決定自己出馬，審閱這篇論文。錢德拉塞卡是全才型的天體物理學大師，他擔任主編期間，可以審閱投到ApJ的所有領(lǐng)域的論文。

圖11：錢德拉塞卡丨來源：Public Domain

錢德拉塞卡看完帕克的論文之后，也不認同帕克論文中的觀點。但他無法找出論文中的數(shù)學推導的任何錯誤。因此，他同意發(fā)表這篇論文。

百忙之中的錢德拉塞卡為何會主動去審閱被兩個審稿人斃掉的稿子呢？因為，正如前面所說，此時的帕克已經(jīng)是一個年輕的學術(shù)權(quán)威。錢德拉塞卡相信，這么出色的年輕學者，胡說八道的可能性比較低。

一開始，帕克沿用了“太陽微粒輻射”這個說法。在后來的論文中，他改稱其為“太陽風”（solar wind）。

1959年1月，蘇聯(lián)的“月球1號”飛船首次直接探測到太陽風，并測量出其強度。此后，“月球2號”、“月球3號”與“金星1號”飛船驗證了這個結(jié)果。1962年，NASA的“水手2號”飛船飛掠金星時，也探測到穩(wěn)定的粒子流，進一步證實了帕克提出的“太陽風”理論。

圖12：太陽風打在火星上并將其大氣上層剝離的藝術(shù)想象圖丨來源：NASA/GSFC

雖然帕克不是第一個猜測有太陽風的學者，但他是第一個嚴格證明太陽風可以形成的學者。這些探測結(jié)果證實了帕克基于扎實計算得到的結(jié)論。帕克的聲譽因此被大大提高。

圖13：被插在月球上、用以采集太陽風并確定其成分的“太陽風成分（Solar Wind Composition，SWC）實驗”的器材。站立者為阿波羅11號宇航員奧爾德林（Edwin E. Aldrin，1930-），拍攝者是第一個登上月球的阿姆斯特朗（Neil Alden Armstrong，1930-2012）。丨來源：NASA / Neil A. Armstrong （Public Domain）

后來的觀測與理論研究證明，太陽風確實是彗星氣體尾朝向、產(chǎn)生地磁暴與極光的根本原因。

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老當益壯，寧移白首之心

在因為太陽風的研究而聲名鵲起之后，帕克并未松懈，而是在此后半個世紀都像一個剛出道的年輕學者那樣勤奮工作，對太陽物理的各類現(xiàn)象、各種尺度的天體系統(tǒng)的磁場、太陽-地球磁場相互作用以及流體力學與等離子體物理學自身都做出了杰出的貢獻。

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

1995年，68歲的帕克退休。退休后的帕克依然活躍于相關(guān)領(lǐng)域，繼續(xù)著書立說。直到2012年，85歲高齡的帕克還在《等離子體物理學與可控核聚變》（Plasma Physics and Controlled Fusion，PPCF）發(fā)表研究論文，此時距離他發(fā)表第一篇論文那一年（1952年），恰好是60年。

帕克長達60年的辛勤研究，加深了人們太陽物理、地球物理、流體力學、等離子體物理學等領(lǐng)域的理解，重塑了其中眾多領(lǐng)域的面貌。他的工作以扎實而精湛的數(shù)學功底為基礎(chǔ)，以深刻的物理直覺為指引。帕克的同事、芝加哥大學天文與天體物理學教授羅斯納（Robert Rosner）盛贊帕克，稱其為“理想的物理學家”，因為他“才華橫溢，多才多藝，和藹可親，擅長表達，但也很謙虛”（“brilliant and accomplished, personable, articulate, but also humble”）[4]，并對其驚人的物理直覺與數(shù)學分析能力深感敬佩。

圖15：正在寫方程組的老年帕克。丨來源：https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

帕克用60年的辛勤耕耘，為學術(shù)界帶來了大量成果。根據(jù)ADS索引，帕克在其研究的各領(lǐng)域的國際一流雜志發(fā)表了200多篇第一作者的研究論文，其中絕大多數(shù)為唯一作者論文[5]。此外，帕克還寫了多篇邀請綜述與高級科普，出版多本教科書。這些論著不僅見證了帕克的才能，也見證了帕克的勤奮。

圖16：同事慶祝帕克的90歲生日丨來源：Jean Lachat

因為帕克的眾多杰出貢獻，人們以他的姓來命名一些現(xiàn)象、模型與方程，如[4]：描述星系內(nèi)磁浮力不穩(wěn)定性的帕克不穩(wěn)定性（Parker instability），描述穿過等離子體的粒子的帕克方程，描述等離子體磁場的斯威特-帕克模型（Sweet-Parker model），描述行星際磁場的帕克旋臂（Parker spiral）；描述磁單極流量極限的帕克極限（Parker limit），等等。

圖17：帕克旋臂的示意圖。來源：Miserlou （Public Domain）

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無冕之王

帕克取得的眾多重要成就也使他獲得眾多獎項與榮譽。

1967年，帕克當選為美國科學院院士。1969年，帕克獲得亨利·羅素講席（Henry Norris Russell Lectureship）與表彰太陽物理學以及日-地關(guān)系研究的阿克托夫斯基獎（Arctowski Medal）。

1978年，美國天文學會首次頒發(fā)海耳獎（George Ellery Hale Prize），表彰為太陽物理做出杰出貢獻的學者，帕克成為第一屆海耳獎得主。海耳（George Ellery Hale，1868 -1938）的天文學成就集中于太陽物理學，但他對天文學的最大貢獻是籌資建設(shè)了稱雄世界幾十年的兩個大望遠鏡。

圖18：海耳丨來源：Public Domain

1979年，帕克獲得英國皇家天文學會頒發(fā)的查普曼獎?wù)拢–hapman Medal），這個查普曼就是上文中提到的那個證明高溫日冕具有良好導熱性的查普曼。

1989年，帕克獲得美國國家科學獎?wù)拢∟ational Medal of Science）；1990年，帕克獲得美國地球科學最高獎——鮑伊爾獎?wù)拢╓illiam Bowie Medal）；1992年，帕克獲得皇家天文學會金質(zhì)獎?wù)拢℅old Medal of the Royal Astronomical Society）；1997年，帕克獲得布魯斯獎?wù)拢˙ruce Medal）；2003年，帕克獲得麥克斯韋獎（James Clerk Maxwell Prize），此獎獎勵那些為等離子體物理學做出杰出貢獻的學者。

2018年，帕克獲得美國物理學會頒發(fā)的杰出研究成就獎?wù)?/strong>（Medal for Exceptional Achievement in Research），得獎原因是他“在過去60年時間內(nèi)，對空間物理、等離子體物理與天體物理學的基礎(chǔ)性貢獻?！?span id="s0sssss00s" class="font-size-12">[6]

2020年，帕克獲得了他這輩子的最后一個獎：克拉福德天文獎（Crafoord Prize in Astronomy）。這個獎可以算是終身成就獎。

克拉福德獎于1980年由瑞典工業(yè)家與慈善家克拉福德（Holger Crafoord，1908-1982）與其妻子建立的基金會出資獎勵，由瑞典皇家科學院負責推選得獎。1982年，克拉福德獎開始頒獎。

某種意義上說，這個獎比諾貝爾獎還難獲得：在2000年之前，它每年只給天文與數(shù)學、生物科學、地球科學中的一個領(lǐng)域，此后因為增加了對關(guān)節(jié)炎領(lǐng)域的研究的獎勵，經(jīng)常要4年才輪到一個領(lǐng)域。在2008年之前，天文與數(shù)學只能二選一，天文學家還必須和數(shù)學家之間彼此輪流拿，每6年輪到一次。2008年之后，天文學家與數(shù)學家可以同時分別獲獎。

從1985年開始到現(xiàn)在的37年間，獲得克勞福德天文獎的天文學家只有12位[7]，其中3位在得獎之后獲得了諾貝爾物理學獎[8]，剩余的9位也都是相關(guān)領(lǐng)域的權(quán)威學者。將這個獎授予他，是因為他“對太陽風、恒星與星系尺度的磁場的先驅(qū)性與基礎(chǔ)性研究”[9]。

盡管帕克未獲得諾貝爾獎，但眾多獎項、尤其是最后獲得的克拉福德天文獎肯定了他“無冕之王”的崇高地位。

帕克遇見“帕克”

2017年，NASA在征得帕克的欣然同意之后，將即將發(fā)射升空的“太陽探測器Plus”（Solar Probe Plus）改名為“帕克太陽探測器”（The Parker Solar Probe），以下我們簡稱其為“帕克”，并用引號來與作為人物的帕克進行區(qū)分。

總耗資15億美元的“帕克”的任務(wù)是：直接探測加熱了日冕、加速了太陽風粒子的能量流，確定產(chǎn)生太陽風的區(qū)域的磁場的性質(zhì)，以及確定那些高能量粒子如何被加速與傳輸。

當工作人員將帕克帶進存放“帕克”的潔凈間，讓二者“相見”時，人們見證了帕克遇見“帕克”的激動人心的時刻。

發(fā)射“帕克”的火箭是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance，ULA）的德爾塔IV重型火箭，它的運力世界第二強，發(fā)射一次大約4億美元。在發(fā)射前，帕克本“克”被隆重邀請到火箭之前，在NASA當時的副局長Thomas Zurbuchen及ULA的首席執(zhí)行官Tory Bruno的陪同下，與火箭合影。

圖19：“帕克”升空前，帕克（中）與Thomas Zurbuchen（左）及Tory Bruno（右）在火箭發(fā)射架之前合影。丨來源：Bill Ingalls/NASA

2018年8月12日，“帕克”被發(fā)射升空，帕克本人到場目睹盛況。按照計劃，“帕克”將圍繞太陽轉(zhuǎn)26圈，其間7次在接近金星時借助金星引力改變軌道，逐漸靠近太陽，并直接穿過日冕，與太陽表面最近時將只有大約600萬千米。

圖20：2018年8月12日凌晨3點31分， 德爾塔IV重型火箭在卡納維拉爾角將“帕克”發(fā)射升空。丨來源：Bill Ingalls/NASA

圖21：2018年8月12日凌晨3點31分，帕克在發(fā)射現(xiàn)場目睹“帕克”升空。丨來源：Bill Ingalls/NASA

2021年4月，“帕克”首次穿過日冕，成為人類歷史上第一個“觸摸”太陽的探測器。

圖22：“帕克”接近太陽的藝術(shù)想象圖丨來源：Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

現(xiàn)在，一輩子都在努力破解太陽秘密的帕克已經(jīng)逝世，但“帕克”還在繼續(xù)探索這些秘密。幾年后，“帕克”完成任務(wù)，但帕克與“帕克”的發(fā)現(xiàn)與學術(shù)遺產(chǎn)也將永遠伴隨人類。

就如NASA總部的太陽物理組的主任Nicola Fox在帕克還在世時說的那樣：“即使帕克博士不再與我們同在，他的發(fā)現(xiàn)與遺產(chǎn)也將永遠活著。”[10]

圖23：帕克丨來源：https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

注釋

[1] 原文為：As a child, I enjoyed very much learning how things work.

[2] 菲茲杰拉德更著名的一個工作是提出了相對論中的“菲茲杰拉德收縮公式”。

[3] 原文為：“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，發(fā)表于ApJ、AJ、《太陽物理》（Solar Physics）、《空間科學綜述》（Space Science Reviews）、《天體物理學與空間科學》（Astrophysics and Space Science）等天文類雜志的分別為117篇、2篇、12篇、6篇與9篇；發(fā)表于JGR、《地球物理與天體物理流體動力學》（Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics）等地球物理類的雜志的分別為23篇與20篇；發(fā)表于PR系列與《流體物理學》（Physics of Fluids）、PPCF與《等離子體物理》（Physics of Plasmas）等物理類雜志的分別為16篇、6篇、3篇與1篇；發(fā)表于PNAS與《自然》等綜合類雜志的各1篇（另外3篇發(fā)表在《自然》的文章為綜述文章）。

[6] 原文為：For fundamental contributions to space physics, plasma physics, solar physics and astrophysics for over 60 years.

[7] 克拉福德天文獎得主為斯皮澤（Lyman Spitzer）、桑德奇（Allan Sandage）、霍伊爾（Fred Hoyle）、薩皮德（Edwin Ernest Salpeter）、古恩（James E. Gunn）、皮伯斯（James Peebles）、里斯（Martin Rees）、蘇尼耶夫（Rashid Alievich Sunyaev）、根澤爾（Reinhard Genzel）、季茲（Andrea M. Ghez）、克爾（Roy Kerr）、布蘭福德（Roger Blandford）與帕克。

[8] 皮伯斯獲得2019年的諾貝爾物理學獎；根澤爾與季茲獲得2020年的諾貝爾物理學獎。

[9] 原文為：“for pioneering and fundamental studies of the solar wind and magnetic fields from stellar to galactic scales.”

[10] 原文為：“Even though Dr. Parker is no longer with us, his discoveries and legacy will live forever.”

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