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”

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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生大小不同的各種擾動，甚至產生地磁暴。

一旦產生強烈的擾動之后，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，全世界農作物大量減產，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

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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

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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。總所周知，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，首先產生了一個紅色的磁聲波，它的速度非�？�。但是在磁聲波的后面，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

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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，方老師就帶著我們去云南漂亮的撫仙湖畔，建了一個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

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