Нобелевская премия по физике  1970

Ханнес Альфвен
(1908-1995)
За фундаментальные работы и открытия в магнитной гидродинамике и плодотворные приложения их в различных областях физики
Биография Фотогалерея





Шведский физик Ханнес Олоф Иеста Альфвен (Hannes Olof Gösta Alfvén) родился в Норчепинге в семье Йоханнеса и Анны-Клары (в девичестве Романус) Альфвен. Оба его родителя были практикующими врачами. Окончив школу в Норчепинге, Альфвен в 1926 г. поступил в Упсальский университет, в 1934 г. получил докторскую степень и остался в университете, где читал лекции по физике вплоть до 1937 г., когда он стал заниматься исследовательской работой в области физики в Нобелевском институте физики в Стокгольме. Альфвен занял пост профессора по теории электричества в Королевском технологическом институте в Стокгольме в 1940 г., профессора электроники – в 1945 и профессора в области физики плазмы – в 1963 г. Спустя четыре года он покинул Швецию отчасти из-за своих разногласий с правительством по ряду вопросов – от политики в области образования до разработки ядерного реактора – и занял пост профессора в Калифорнийском университете, г. Сан-Диего.

Ранние исследования Альфвена касались природы солнечных пятен и полярных сияний. Поскольку температура Солнца очень высока, оно состоит из особой формы материи, называемой плазмой, представляющей собой газообразную смесь электронов, оторвавшихся от атомов и молекул при их высокоэнергетических столкновениях, и заряженных ионов, также возникших в результате подобных столкновений. Звезды и большая часть материи во Вселенной состоят из плазмы; из плазмы состоит и солнечный ветер поток частиц, излучаемых Солнцем. Когда эти частицы попадают в магнитное поле Земли, они отклоняются к полюсам, и при столкновении с ионосферой образуются полярные сияния. Альфвен сделал много пророческих открытий в области физики плазмы, которые выглядели неожиданно и даже отвергались в свое время. Так, например, он показал, что в плазме существует магнитное поле, связанное с потоками заряженных частиц в ней (электрическими токами), и что при определенных условиях это магнитное поле может оказаться «вмороженным» в плазму (если такая плазма движется, то поле движется вместе с ней). Для того чтобы такие условия образовались, электропроводность в сочетании с другими характеристиками должна быть достаточно высока, а частицы должны располагаться достаточно близко друг к другу, дабы сходство столкновений с соседями предотвращало потерю электронов.

Рассматривая сложное движение заряженной частицы в магнитном поле, Альфвен ввел упрощенную аппроксимацию, в которой это движение рассматривается как быстрое вращение частицы вокруг «ведущего центра», который сам перемещается вдоль магнитных линий (магнитные силовые линии показывают направление поля в каждой точке; близость линий друг к другу отражает величину поля).

Он применил этот принцип при исследовании магнитных бурь и полярных сияний, обнаружив, что частицы в магнитном поле Земли должны дрейфовать вдоль магнитных силовых линий, отражаясь от областей с повышенной напряженностью магнитного поля. Понятие магнитного черкала оказалось весьма полезным в работах по контролируемому термоядерному синтезу, где возникает необходимость изолировать раскаленную плазму, контакт с которой разрушил бы стенки любого сосуда. Идеи Альфвена, хотя и не всегда разделявшиеся другими учеными, оказались плодотворными при истолковании таких явлений, как, например, радиационный пояс Ван-Аллена (горообразные потоки электронов, циркулирующих в магнитном поле Земли) или уменьшение магнитного поля Земли во время магнитных бурь. Еще одним из ранних предположений Альфвена, подтвердившихся позднее, было существование крупномасштабных слабых магнитных полей в Галактике из-за присутствия даже малого количества плазмы-Полей, которые влияют на движение космических лучей.

В 1942 г. Альфвен предсказал, что магнитные линии в плазме ведут себя подобно натянутой резине и могут передавать возмущения, во многом подобные тем, какие происходят при щипке скрипичной струны, назвав это явление магнитогидродинамическими волнами. Эта идея противоречила господствующим представлениям, согласно которым электромагнитные волны не способны глубоко проникать в электрический проводник. И действительно, использование металлических листов, дабы избежать такого проникновения, было обычным делом. Хотя теория Альфвена, казалось, не находила экспериментального подтверждения, она начала завоевывать признание и была поддержана Энрико Ферми, который слушал лекцию Альфвена в Чикагском университете в 1948 г. В противовес всеобщим ожиданиям эти волны, которые стали известны как волны Альфвена, были обнаружены в жидком металле в 1949 и в плазме в 1959 г.

Волны Альфвена помогли объяснить небольшие изменения в магнитном поле Земли и тесную связь между магнитными возмущениями, разделенными большими расстояниями, но связанными геомагнитными линиями.

В 1942 г. Альфвен показал также, как с точки зрения эволюции Солнечной системы из плазменного состояния объясняется гот факт, что почти весь ее импульс (произведение массы на скорость) приходится на долю планет, а не Солнца. Многие идеи Альфвена появились в связи с исследованием солнечных пятен, и он пришел к выводу, что они представляют собой области интенсивных магнитных полей, вкрапленных в массу Солнца. В 1943 г., рассматривая связь между плазмой и ее магнитным полем, он объяснил, почему солнечные пятна, которые холоднее (и, следовательно, обладают большей плотностью) своего окружения, ибо темнее его, не тонут. Причина здесь в магнитном давлении, которое противодействует гравитационным силам.

Новая область физики, получившая название магнитной гидродинамики, основы которой заложил Альфвен, оказалась важной не только для исследований по термоядерному синтезу, но и для разработок по таким темам, как сверхзвуковые полеты, ракетные двигатели и торможение спускаемых космических аппаратов, хотя самого Альфвена интересует прежде всего поведение плазмы в звездах, а также в межпланетном и межзвездном пространстве. Сборник его ранних работ «Космическая электродинамика» («Cosmical Electrodynamics», 1950) оказал огромное влияние на специалистов по астрофизике и физике плазмы. Более поздние важные работы Альфвена посвящены образованию Солнечной системы.

Запоздалое признание пришло к нему, когда Альфвен получил в 1970 г. Нобелевскую премию по физике «за фундаментальные работы и открытия в магнитной гидродинамике и плодотворные приложения их в различных областях физики плазмы». Он разделил эту премию с Луи Неелем, награжденным за вклад в теорию магнетизма. При презентации лауреата Торстен Густафссон, член Шведской королевской академии наук, сказал в своей речи, что идеи Альфвена «нашли широкое применение в астрофизической области, особенно при изучении той фазы развития Солнечной системы, когда образовались планеты и спутники». В Нобелевской лекции Альфвен сказал, что прояснить, как образовалась Солнечная система, – «это и в самом деле одна из фундаментальных проблем науки», добавив, что с философской точки зрения «это столь же важный вопрос, как и вопрос о строении материи, к которому было привлечено наибольшее внимание в течение первых двух третей нашего века».

Заботясь о том, чтобы теория твердо базировалась на физических наблюдениях, Альфвен долго боролся за использование космических аппаратов для научных исследований. В частности, он ратовал за то, чтобы космические аппараты посылались преимущественно на астероиды и к кометам, а не на их естественные спутники, полагая, что на больших телах информация об изначальных условиях почти полностью утрачена из-за внутреннего перемешивания и поверхностной эрозии.

Бывший ранее сторонником развития ядерной энергетики, Альфвен в дальнейшем стал предупреждать о той опасности, которую представляют собой ядерные установки. Обеспокоенный гонкой ядерных вооружений, он стал принимать активное участие в Пагуошском движении ученых.

В 1935 году Альфвен женился на Керстин Марии Эриксон; у них пятеро детей. Кроме научных работ, им написаны научно-популярные книги, некоторые из них в соавторстве с женой. В книге «Миры – антимиры: антиматерия в космологии» («Worlds-Antiworlds: Antimatter in Cosmology», 1965) выдвинуто предположение, что Вселенная, возможно, состоит из равного количества материи и антиматерии, предположение, противоречащее многим современным теориям. Под псевдонимом Улоф Йоханнессон он сочинил научно-фантастический роман «Великий компьютер: предвидение» («The Great Computer: A Vision», 1968), в котором описывается, как все усложняющиеся компьютеры устанавливают контроль вначале над правительствами, а затем и над всем земным шаром.

Первый астрофизик, получивший Нобелевскую премию, Альфвен был также награжден золотой медалью Королевского астрономического общества в Лондоне (1967) и золотой медалью имени Ломоносова АН СССР (1971). Он член Шведской королевской академии наук, Лондонского королевского общества, других академий.