我提出了一個(gè)關(guān)于太陽的大膽預(yù)言，很多人都不信，十年后終于被證實(shí) | 科學(xué)講壇——陳鵬飛

對(duì)一個(gè)奇特的天文現(xiàn)象，

理論學(xué)家可以提出幾百個(gè)、幾千個(gè)模型，

但到底誰是對(duì)的？

實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

陳鵬飛 · 南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)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(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)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(xué)的專業(yè)是土木工程。在上個(gè)世紀(jì)八九十年代，我們國家的房地產(chǎn)蓬勃發(fā)展，土木工程是一個(gè)非常熱門的專業(yè)。可是我對(duì)工程不是那么感興趣，那時(shí)候就想做一個(gè)像愛因斯坦那樣的人。在我迷茫的時(shí)候，別人告訴我，如果遇事不決，那就量子力學(xué)。于是，我自學(xué)量子力學(xué)，考上了中國科學(xué)院近代物理研究所來學(xué)物理。

在讀碩士研究生的第二年，有一個(gè)很偶然的機(jī)會(huì)，我聽到了南京大學(xué)天文系彭秋和教授的一個(gè)報(bào)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(bào)考了南京大學(xué)天文系，跟隨方成教授學(xué)習(xí)天體物理。

▲左：陳鵬飛與碩士導(dǎo)師張明超研究員（右）

右：在南京大學(xué)進(jìn)行博士論文答辯后在海報(bào)前留影

我經(jīng)常用我的這段經(jīng)歷來告訴我的學(xué)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(jià)。

當(dāng)然，我并沒有對(duì)當(dāng)初在學(xué)的專業(yè)有所懈怠，學(xué)土木工程的時(shí)候我也是在認(rèn)真地學(xué)，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(shí)候我學(xué)的是物理，畢業(yè)論文也獲得了中國科學(xué)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(xué)生們，干一行也要愛一行。

在辯論時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)話題是：到底我們應(yīng)該去愛一行干一行，還是干一行愛一行呢？我自己的體會(huì)是兩者不矛盾。做一行的時(shí)候，先要認(rèn)認(rèn)真真把它做好，等到機(jī)會(huì)成熟再去追求自己的夢想。

太陽也長“雀斑”

已完成：10%//////// //

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(shí)并不總是那么白白凈凈，有的時(shí)候臉上也會(huì)長“雀斑”，那就是黑子。

太陽黑子為什么是黑色的呢？因?yàn)檫@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?yàn)檫@個(gè)地方的磁場特別強(qiáng)，強(qiáng)磁場會(huì)阻礙能量從太陽內(nèi)部傳輸?shù)教柋砻妗?/p>

黑子的出現(xiàn)給太陽帶來了閃光點(diǎn)，給太陽帶來了生機(jī)，也產(chǎn)生了大量的活動(dòng)現(xiàn)象。大家熟知的一個(gè)太陽活動(dòng)現(xiàn)象叫日珥。

日珥其實(shí)是懸浮在100萬攝氏度日冕里面的一個(gè)低溫物質(zhì)，只有7000℃，樣子看起來像一個(gè)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(huì)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(huì)產(chǎn)生非常壯觀的太陽耀斑，比如下面視頻里的環(huán)狀結(jié)構(gòu)就是一個(gè)太陽耀斑。一個(gè)太陽耀斑持續(xù)的時(shí)間，也就五六十分鐘，但是它所釋放出來的能量相當(dāng)于100億顆原子彈同時(shí)爆炸的總能量。全世界的人口大約80億，一次太陽耀斑產(chǎn)生的能量相當(dāng)于全世界人手一顆原子彈同時(shí)爆炸的總能量。

一個(gè)太陽耀斑有多大呢？上面視頻的右上角有一個(gè)小圓塊，那就是我們的地球。可見一個(gè)太陽耀斑比地球要大得多。

在太陽耀斑發(fā)生的同時(shí)，幾十億噸的物質(zhì)跟隨著日珥一起往外拋射，這形成了一個(gè)更壯觀、比太陽都大得多的爆發(fā)現(xiàn)象，叫日冕物質(zhì)拋射。

日冕物質(zhì)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(fēng)暴。太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的幾十億噸的物質(zhì)，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(huì)對(duì)著地球撞過來。一旦撞到地球，就會(huì)在地球的磁場上產(chǎn)生大小不同的各種擾動(dòng)，甚至產(chǎn)生地磁暴。

一旦產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)之后，太陽爆發(fā)加速的電子、離子、質(zhì)子等等，就會(huì)給衛(wèi)星表面充電、放電，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星報(bào)廢。而且這些接近光速的粒子也會(huì)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(qiáng)烈輻射也會(huì)對(duì)地球的電離層產(chǎn)生干擾，這可能會(huì)讓我們的短波通訊中斷。同時(shí)，地磁暴一旦發(fā)生，可能會(huì)讓我們的電網(wǎng)、電站癱瘓。

給大家舉兩個(gè)著名的例子。第一個(gè)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(zhì)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(gè)水電站的變壓器燒毀了。這個(gè)水電站負(fù)責(zé)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(gè)小時(shí)。

第二個(gè)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(gè)時(shí)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?yàn)樘柋l(fā)活動(dòng)每年對(duì)人類高科技產(chǎn)生的破壞達(dá)到了幾十億人民幣，所以，太陽物理研究不只是一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，一個(gè)對(duì)天文現(xiàn)象的研究，它其實(shí)對(duì)我們的國計(jì)民生也有非常重大的影響。

既然太陽黑子會(huì)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(shí)不然，因?yàn)檫@個(gè)事情曾經(jīng)發(fā)生過。

400年前，太陽持續(xù)了70年時(shí)間幾乎沒有黑子。這段時(shí)間在天文上叫蒙德極小期，正好對(duì)應(yīng)地球小冰期溫度最低的一段時(shí)期。那個(gè)時(shí)候，英國的泰晤士河都結(jié)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?yàn)闅鉁亟档停澜甾r(nóng)作物大量減產(chǎn)，老百姓食不果腹。所以有學(xué)者認(rèn)為，這次的小冰期也可能是明朝滅亡的一個(gè)主要原因。

太陽這個(gè)領(lǐng)域跟天文的其他領(lǐng)域有一個(gè)很大的不同，那就是其他領(lǐng)域都需要加班，晚上的時(shí)候去觀測，而太陽是白天出來，所以我們想加個(gè)班都不行，因?yàn)樘栂律搅恕５牵蚁矚g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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(zhì)。我舉兩個(gè)例子來告訴大家如何通過數(shù)值模擬（也就是計(jì)算機(jī)模擬）來研究太陽爆發(fā)現(xiàn)象。

預(yù)報(bào)太陽天氣

已完成：40%/////////

既然太陽爆發(fā)每年會(huì)給全人類帶來幾十億人民幣的損失，那能不能像天氣預(yù)報(bào)一樣，預(yù)報(bào)太陽爆發(fā)？如果能成功預(yù)報(bào)，就可以減少很多損失。很多人在思考這個(gè)問題，其中就包括著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼的妹妹——瓊·費(fèi)曼。哥哥聰明，妹妹也厲害，是我們的同行。

▲查德·費(fèi)曼（左1）和妹妹瓊·費(fèi)曼

在中國我們會(huì)說“山雨欲來風(fēng)滿樓”，任何一個(gè)大的事情發(fā)生之前會(huì)有一些先兆。所以，瓊·費(fèi)曼就思考一個(gè)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(shí)候不會(huì)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(fù)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(gè)日珥就在那頤養(yǎng)天年，安然無恙，歲月靜好。但是瓊·費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的規(guī)律，日珥在爆發(fā)前一天，在日珥的旁邊會(huì)有新的黑子冒出來，就是圖中的藍(lán)色磁力線。而且，她還發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(fù)極，正負(fù)抵消，才會(huì)產(chǎn)生太陽爆發(fā)。如果是相同方向的磁場靠近，那就不會(huì)爆發(fā)。

這個(gè)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(yù)報(bào)太陽爆發(fā)。但是，大家知其然，不知其所以然。這個(gè)時(shí)候，我們提出了一個(gè)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(fù)極。如果在爆發(fā)的前一天，有個(gè)小黑子從太陽內(nèi)部冒出來，而且黑子磁場的正極正好靠著原來的負(fù)極，正負(fù)就會(huì)抵消，磁力線之間就會(huì)重新連接，會(huì)連到右邊去。重新連接的這一段磁力線就像彈弓一樣，會(huì)獲得一個(gè)像彈弓的張力來加速物質(zhì)往上運(yùn)動(dòng)，正是這個(gè)張力使日珥開始拋射。這是我們的一個(gè)理論模型、一個(gè)想法。

這個(gè)想法對(duì)不對(duì)呢？我們用計(jì)算機(jī)來計(jì)算了一下，做了一個(gè)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的是這樣。當(dāng)一個(gè)正負(fù)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(fèi)曼發(fā)現(xiàn)的有趣規(guī)律。

這個(gè)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(gè)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(guān)。

被證實(shí)的預(yù)言

已完成：70%//////////

1998年，美國同行湯普森和同事發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意料之外的波動(dòng)現(xiàn)象，叫太陽海嘯。一旦大的太陽耀斑發(fā)生之后，會(huì)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?yàn)榉浅Ｓ腥ぁ?strong>只要這個(gè)海嘯發(fā)生在太陽中心附近，100%會(huì)有幾十億噸的物質(zhì)以幾百上千公里每秒的速度朝著地球撞過來。

開始的時(shí)候，大家試圖理解這個(gè)海嘯、這個(gè)傳播到底是一個(gè)什么樣的波？那個(gè)時(shí)候，全世界幾乎所有人都認(rèn)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?yàn)槁暡▊鞑ァＶ皇且驗(yàn)樘柹系穆暡〞?huì)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(gè)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(diào)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(gè)磁聲波。在那個(gè)時(shí)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(xué)大會(huì)在加拿大舉行。組織者特意安排了一個(gè)專場，邀請(qǐng)了國際上三位專家就這個(gè)話題進(jìn)行辯論，包括一位來自歐洲的專家、一個(gè)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(shí)，在幾年之后的2014年，瑞士國際空間科學(xué)研究所也組織了一場太陽海嘯的專題研討會(huì)。參加會(huì)議的9個(gè)全世界代表里面，8個(gè)人依然堅(jiān)信太陽海嘯就是磁聲波，只有我認(rèn)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(xué)研究所太陽海嘯專題研討會(huì)

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(gè)耳環(huán)狀結(jié)構(gòu)，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(huì)走直線從C點(diǎn)傳到D點(diǎn)，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(diǎn)傳到C點(diǎn)，有第一個(gè)海嘯波前，再從A點(diǎn)往上傳到B點(diǎn)，再拐個(gè)彎傳到D點(diǎn)，便有了第二個(gè)海嘯波前。

這樣一來，傳播的路徑遠(yuǎn)了，時(shí)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(gè)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(gè)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(chǎn)生了一個(gè)紅色的磁聲波，它的速度非常快。但是在磁聲波的后面，還有一個(gè)深藍(lán)色的波慢慢地傳，速度正好是磁聲波的1/3，證實(shí)了太陽海嘯不是磁聲波。

怎么去實(shí)際證明我的模型是對(duì)的呢？這個(gè)模型中，我做了一個(gè)預(yù)言，認(rèn)為當(dāng)初發(fā)現(xiàn)太陽海嘯的望遠(yuǎn)鏡給太陽拍照的時(shí)間間隔太長了，如果將來發(fā)射望遠(yuǎn)鏡拍攝太陽圖片更頻繁的話，應(yīng)該能觀測到兩個(gè)波動(dòng)，一個(gè)是太陽海嘯，另一個(gè)是在太陽海嘯前面的磁聲波。

在我這篇文章發(fā)表、預(yù)言提出十年之后，終于，美國發(fā)射了一顆新的衛(wèi)星。這時(shí)候，國內(nèi)外有大量的同行發(fā)表文章證實(shí)，他們確實(shí)看到了一個(gè)跑得快的波和一個(gè)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(shí)了我們當(dāng)初的預(yù)言。

這件事情告訴我們一個(gè)重要的道理，對(duì)一個(gè)奇特的天文現(xiàn)象，理論學(xué)家可以提出幾百個(gè)、幾千個(gè)模型，但是到底誰是對(duì)的？只有實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這時(shí)候，我也意識(shí)到了通過觀測研究太陽的重要性，所以在讀博士、做計(jì)算機(jī)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

已完成：90%//////////

我的導(dǎo)師方成老師，其實(shí)非常重視觀測。當(dāng)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?nèi)ピ颇掀恋膿嵯珊希艘粋€(gè)光學(xué)與近紅外太陽探測望遠(yuǎn)鏡。

▲光學(xué)與近紅外太陽探測望遠(yuǎn)鏡

目前，我們團(tuán)隊(duì)正在研制一臺(tái)2.5米的太陽望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)是國內(nèi)最大的太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，計(jì)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(gè)望遠(yuǎn)鏡建成之后，我估計(jì)“無名山”會(huì)變成“有名山”。

▲2.5米大視場高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡

地面的望遠(yuǎn)鏡很好，但也有很多不足：

第一，地球的大氣存在很多擾動(dòng)；

第二，在地面上觀測，一個(gè)地方只能觀測7到8個(gè)小時(shí)，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(yù)報(bào)日珥是否會(huì)爆發(fā)，物質(zhì)是否會(huì)撞到地球，目前沒有望遠(yuǎn)鏡能夠探測出來。大風(fēng)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(gè)太陽海嘯的前面都會(huì)有磁聲波。我們希望做一臺(tái)望遠(yuǎn)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(xué)羲和團(tuán)隊(duì)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(hào)”。2021年10月14號(hào)，羲和號(hào)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(gè)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(gè)國家的同行都在使用我們的數(shù)據(jù)。2024年，我在比利時(shí)參加一個(gè)國際會(huì)議，英國同行對(duì)羲和衛(wèi)星的數(shù)據(jù)大加贊賞。下面是一個(gè)日珥爆發(fā)的視頻，羲和拍到的。一個(gè)日珥爆發(fā)之后，產(chǎn)生壯麗的太陽耀斑。

以前的望遠(yuǎn)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(lán)色的是指（多普勒）藍(lán)移，它在朝著我們運(yùn)動(dòng)，紅色部分就是物質(zhì)在往下掉落。

尤其讓我激動(dòng)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(gè)成功的基礎(chǔ)上，我們羲和團(tuán)隊(duì)正在研制“羲和二號(hào)”，將來要再發(fā)射一顆衛(wèi)星到第五拉格朗日點(diǎn)。太陽、地球和第五拉格朗日點(diǎn)組成一個(gè)等邊三角形，也就是說讓“羲和二號(hào)”在第五拉格朗日點(diǎn)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(dāng)我站在大家面前的時(shí)候，我依然會(huì)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(dāng)冒著熊熊烈焰的長征二號(hào)丁運(yùn)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(shí)，我的內(nèi)心的想法是：我們的事業(yè)和國家的命運(yùn)，都在蒸蒸日上。

謝謝大家。

本文轉(zhuǎn)載自《格致論道講壇》微信公眾號(hào)

《物理》50年精選文章