[转帖]《磁流体动力学和新的磁性理论》

bingyu4009

《·1970年诺贝尔物理学奖——磁流体动力学和新的磁性理论》
1970年诺贝尔物理学奖一半授予瑞典斯德哥尔摩皇家技术研究院的阿尔文（Hannes Alfvé
n，1908—1995），以表彰他对磁流体动力学的基础工作和发现，及其在等离子体不同部分
卓有成效的应用；另一半授予法国格勒诺布尔大学的奈尔（Louis Néel，1904—），以表
彰他对反铁磁性和铁氧体磁性所作的基础研究和发现，这些研究和发现在固体物理学中有
重要应用。
阿尔文是磁流体动力学的创始人。
阿尔文所有的科学工作都显示了深刻的物理洞察力。他能够从特殊问题概括出非常重要的
普遍性结论。他从电磁学观点探讨天体物理学问题，得到了许多崭新的见解。
1933年，还是研究生的阿尔文就创立了一个宇宙辐射起源的理论。在此基础上于1937年他
又提出银河系存在磁场的假设。然而，这一假设在提出之初竟受到了冷落。很久以后才证
明银河系确实存在磁场。
阿尔文最著名的发现是阿尔文波。这一发现是从太阳黑子及太阳黑子周期等特殊问题生长
出来的。1942年阿尔文在太阳黑子的理论研究中发现，处在磁场中的导电流体，在一定条
件下可以使磁力线像振动的弦那样运动，出现一种磁流体波。现在已经证明，阿尔文波在
整个等离子体物理中极为重要。当时电磁理论和流体动力学已经非常完善，但却是相互独
立的。而阿尔文认为在太阳黑子中观察到的磁场只能是等离子体本身的电流所引起，这些
磁场和电流必然会产生力，从而影响流体运动，反过来又感应出电场。
尽管在1942年阿尔文就发表了这一概念，但是好几年后才被认真看待，当时没有人相信他
的论断。因为根据传统的电磁理论，在导电介质中是不可能存在电磁波的。按照阿尔文自
己的说法，突破发生于1948年，是在他到芝加哥大学作了一次讲演之后，才使费米（E.Fe
rmi）相信这类新型的波确实存在。直到1949年，阿尔文波才首先在液态金属中观察到，1
959年又在等离子体中得到证实，终于受到应有的重视。这一发现在等离子体物理、天体物
理和受控热核反应中都有重要应用。
与阿尔文波紧密相连的是磁力线冻结的概念。他把磁力线想像成弹性绳（电磁场和物质运
动耦合的结果），从而大大地简化了很多等离子体物理问题的推理过程。
通过研究地磁场和极光，阿尔文发现以前建立的计算粒子轨道的方法不切实际，特别是在
与极光有关的能量范围内。于是他把“导向中心”近似法发展成为一种工具，以研究带电
粒子在电场和磁场中的运动。这种近似法已经成为整个等离子体物理的重要工具。
应用这种近似法，阿尔文提出了地磁场中环流的概念。但当他试图发表时，竟因这个结果
与普遍接受的理论不一致，遭到一家权威杂志的拒绝。现在已充分肯定，环流是地磁球壳
的一个重要结构特征。
在发展行星围绕太阳形成及卫星围绕行星形成的理论时，阿尔文在等离子体和一种中性气
体的相互作用中引入极限速度的概念。这个概念同样受到冷遇，但是后来在实验室和太空
中都观察到了，很久以后才在理论上得到解释。
从1943年起，阿尔文系统地发表了关于太阳系的天体演化方面的论文，对于宇宙磁场的起
源、太阳系的质量分布与结构、地球与月亮系统的起源与演化、彗星的性质与起源、小行
星带的演化等方面，都作出了重要的贡献。他提出过与大爆炸起源说不同的宇宙早期演化
学说。他倡导的以电流为主要对象的宇宙电动力学研究方法，在等离子体理论研究中有效
地把天体现象与实验室测量结果结合起来，取得了卓越的成就。
阿尔文1908年5月30日生于瑞典的诺尔库平（Norrkoping）。在乌普沙拉（Uppsala）大学
学习之后，26岁获得博士学位。32岁时被聘为斯德哥尔摩皇家技术学院的电磁理论和电学
测量教授。他精力充沛的科学活动导致了一些新教授职位和系的创设。有三个系大部分直
接起源于他的工作。现在在该学院内形成了一个独立机构——阿尔文实验室，这个实验室
成立于1990年。
1967年阿尔文接受了加州大学圣地亚哥分校的教授职位。但是从那以后每年他都要返回瑞
典和他在皇家技术学院的同事一起开展科学活动。他坚持这一往返迁徙，一直到1973年正
式退休以后很久还这样做。
阿尔文著有《宇宙动力学》（1948年）、《太阳系的起源》（1954年）、《宇宙电动力学
》（1963年）、《太阳系的进化》（1976年）等专著。
1970年诺贝尔物理学奖同时还授予法国物理学家奈尔，他是反铁磁性和铁氧体磁性理论的
创始人。
奈尔思路开阔，常能用简明的理论模型解释复杂的物理现象。在他之前，人们只知道有三
类不同的磁性物质：抗磁体，如铋和锑；顺磁体，如铝和铀；铁磁体，如铁、铬、镍。铁
磁性是与原子磁矩间的相互作用相联系的，虽然有热骚动，这些原子磁矩仍力图相互平行
排列。外斯（P.Weiss）最先提出了分子场理论，把铁磁性物质中原子磁矩间的相互作用效
应等价于虚设的分子场的相互作用。这个理论能十分简明地解释铁磁体的能量性质，对许
多实验结果作出了定量的描述。1928年，海森伯运用量子理论精确地解释了相邻单元磁体
间的相互作用，证明了铁磁物质的强磁特征，解决了分子场的起源问题。在此基础上，19
32年至1936年，奈尔进一步提出定域分子场模型和反铁磁理论。他认为在某些物质中，相
邻原子间的相互作用可使他们的磁矩反方向排列。因此，可以把这类物质的晶格视为有两
种可以相互贯通的子晶格，每种子晶格仅仅含有相同取向的原子，可以引进分别作用于不
同子晶格原子上的定域分子场。两个子晶格的原子磁矩都随温度变化，在某一特定的温度
下，它们大小相等、方向相反，相互抵消，使物体的总的净磁矩为零。这就是奈尔的反铁
磁体理论。这个温度就叫做奈尔温度，也叫奈尔点，通常以TN表示。这类新的磁性物质被
命名为反铁磁体。根据奈尔的反铁磁理论，当不存在同晶格的耦合时，在0＜T＜TN时，磁
化率为常数；在T＞TN时，磁化率按居里-外斯定律变化，并在居里点处保持连续。
起初，奈尔的反铁磁理论没有得到普遍接受，直到1938年，蔡伯龄等人测量了MnO的磁化率
与温度的关系，发现有上述特性，并定出奈尔温度TN为116K，才证明了反铁磁理论的正确
性，特别是到了1949年，原子物理实验技术发展了，1994年度诺贝尔物理学奖获得者沙尔
（C.G.Shull）等人用中子衍射方法测定了MnO的原子磁矩，从微观磁结构直接证实了，不
同子晶格上的原子磁矩具有反平行的取向，正如奈尔反铁磁理论所假设的那样，至此，奈
尔的理论才得到公认。
1947年，为了解释MFe2O4尖晶石型铁氧体的磁性（M为某种二价金属，如锌、镉、锰、钴、
镍），奈尔又提出了铁氧体磁性理论。他假设，不同晶位的金属离子间的相互作用是一个
负值。在绝对零度时，相同晶位上的所有离子的磁矩相互平行排列，而与不同晶位上的离
子磁矩取向相反，观察到的总磁矩等于两者的差值。这是一类铁磁性依赖于负相互作用的
物质，其性质与经典的铁磁体大不相同，奈尔将其命名为铁氧体磁性。1951年，沙尔（C.
G.Shull）及其合作者用中子衍射研究了磁铁矿Fe3O4的磁结构，测得处在不同晶位上的原
子磁矩相互反平行，直接证实了奈尔提出的铁氧体磁性理论。铁氧体磁性理论成功地解释
了各种不同类型的铁氧体的磁性本质，为研究和探索各种新型铁氧体材料提供了简明又准
确的理论依据。
奈尔在磁学研究的其他领域也有不少建树。第二次世界大战期间，他为法国海军工作。在
研究了弱场中铁磁体的磁化规律后，他提出了一种新的退磁方法，即把同地磁场感应的恒
定磁化强度大小相等、方向相反的磁化强度加在船体上。这种退磁方法取得了很大成功，
有效地保护了盟国舰船免受纳粹德国的磁性水雷的攻击。他还系统地研究了物体内部退磁
场或弥散场的作用，直至这些场小到可忽略不计。在考虑到晶粒的无规取向以及在空隙和
非磁性夹杂物的情况下，奈尔推导出更加完善的趋近饱和技术磁化定律。他发展了各种类
型铁磁单晶体的磁化理论，指出每种类型的晶体都有自己特有的相数（不同类型的具有平
行自发磁化强度的磁畴个数），并和实验结果完全相符。在1942年，他又提出了单畴理论
，指出足够小的铁磁颗粒应该只含有一个单磁畴，其磁性依赖于颗粒尺寸的大小，或者显
示出超顺磁性，或者像是微型永久磁体的组合，宏观上看，它们应具有高矫顽力的磁滞回
线。因此发现了利用仅有形状各向异性的软铁颗粒制造永久磁铁的可能性，成为日后工业
广泛应用的基础。此外，他还研究了磁性的蠕变，提出了以他的名字命名的奈尔畴壁的概
念。他在古磁学和岩石的磁性方面的研究，曾有助于解释地磁场变化时岩石的磁记忆机制
，首次对大陆漂移和板块地壳结构理论提供了关键性的证据。
奈尔1904年11月22日出生于法国罗纳省的里昂市。父亲是法国政府文职官员。奈尔从小就
受到良好的教育。父母原希望他学文科，中学期间，他的兴趣开始转向物理。他有一位老
师是热心的无线电业余爱好者，他们一起修理和安装仪器设备，从而培养了他对物理学的
兴趣。1924年，他进入巴黎高等师范学院。毕业后，由于成绩优异留校担任助教。随后，
又转入斯特拉斯堡大学物理研究所，成为铁磁理论学家外斯（P.Weiss）的研究生，并于1
932年获博士学位。作为外斯的主要助手，奈尔先后担任斯特拉斯堡大学物理学讲师（193
4年）和教授（1937年），从事磁性理论研究。第二次大战结束后的1945年，奈尔来到法国
东南部的格勒诺布尔大学任教授，并建立了静电学和金属物理实验室，任实验室主任。19
56年，他倡议和负责筹建起格勒诺布尔原子能研究中心（CENG），并亲自任主任。1967年
，他和穆斯堡尔联名发起建立国际合作的高通量中子反应堆——劳厄-朗之万研究所（ILL
）。1971年，他又创建了法德合作的国家强磁场研究中心（SNCI）。经过他多年努力，终
于使格勒诺布尔成为重要的核物理和固体物理研究中心。

周华

接着说，还没看到磁流体动力学的影呢。

windsnow

下面引用由turbulencest在 2002/12/31 00:14am 发表的内容：
哥们们说得好啊~~
其实N_S方程研究湍流的背景是： 将 BOltzmann方程一次平均得N_S方程，二次平均得雷诺方程。一般认为湍流最小涡远远大於分子自由程，因此可以用N-S研究湍流。
但是用统计力学研究湍流有很大的困 ...

Navier-Stokes equations can be more fundamentally derived from the Boltzmann equation that describes the motion of individual NEUTRAL particles by a statistical distribution function. The force/acceleration acting on those neutral particles usually consists of {i} the external gravitational force (mg) and {ii} the internal collisional interactions between particles, both of which will change the momentum of those moving particles. If the particles are not neutral but charged (ions and electrons), then the Boltzmann equation will have to include {iii} an additional force term that is due to the electromagnetic field (the so-called Lorenz force: q[E + VxB]). The electromagnetic field can be either the externally imposed or internally induced by the plasma itself. Following similar procedures of averaging the Boltzmann equation to derive the Navier-Stokes equations one is able to derive the so-called magnetohydrodynamic equations (for velocity, charge/fluid density and electric current, etc.) that include the additional electromagnetic force terms, which are dependent on electromagnetic field. To close the system, one also adds the Maxwell equations that relate the electromagnetic field to the charge density and electric current.
Comparing to the Navier-Stokes equations, the total number of equations in the magnetohydrodynamics is doubled. So is the number of physical processes involved. For example, for a neutral fluid described by Navier-Stokes equations we have acoustic waves, gravity waves, etc. whereas Maxwell equations contain electromagnetic waves (radio waves etc.). Plasma waves are the propagating plasma oscillations that are due to the motion of charged particles and they have many different modes (due to the richness of the physical processes described by the magnetohydrodynamic equations). Alfven wave is a low frequency, transverse, electromagnetic wave that propagates along the magnetic field.

hs-li

有关于磁流体动力学方面的书吗？

windsnow

[这个贴子最后由windsnow在 2004/01/05 10:21am 第 1 次编辑]

[1] Shercliff, J. A., 1965: A Textbook of Magnetohydrodynamics. Pergamon Press, Oxford, 265 pp.
[2] Chen, F. F., 1984: Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion. Vol. 1: Plasma Physics. Second Edition. Plenum Press, New York, 421 pp.
[3] Goldston, R. J., and P. H. Rutherford, 1995: Introduction to Plasma and Physics. Institute of Physics Publishing, Philadelphia, 491 pp.
[4a] Baumjohann, W., and R. A. Treumann: 1996: Basic Space Plasma Physics. Imperial College Press, London, 329 pp.
[4b] Treumann, R. A., and W. Baumjohann, 1997: Advanced Space Plasma Physics. Imperial College Press, London, 381 pp.