《磁流體力學基礎》：離子體物理專業低年級研究生必修課程教材的不二之選

“磁流體力學”（英文：MHD, Magnetohydrodynamics）是等離子體物理領域的一個學術名詞。這個單詞中，Magneto-表示“磁的”，漫威X戰警中最知名的人物之一萬磁王，其英文名就是Magneto；hydro-表示“水的，流體的“，dynamic表示”動力的“，合在一起就是”磁流體動力學“的意思，中文后來采用的規范表述即是“磁流體力學”。

▲漫威X戰警中最知名的人物之一萬磁王

顧名思義，磁流體力學是采用流體的方法研究電磁性流體，即等離子體，與經典流體力學處理的對象——中性流體——不同之處在于，等離子體是大量帶電粒子組成的、宏觀呈現準中性的復雜系統。由于帶電粒子之間庫侖相互作用的存在，帶電粒子運動激發產生磁場，電磁場反過來影響帶電粒子運動，加上電子和離子巨大的質量差異，等離子體中存在大量豐富的電磁波動現象，從頻率高達1018Hz的X射線波段，到頻率低到kHz甚至10-3Hz的阿爾芬波段，都可以在等離子體中產生和傳播。如何準確描述這樣一個復雜電磁體系是等離子體物理研究人員首先要面臨的問題。

1942年，瑞典電氣工程師和物理學家漢尼斯·阿爾文（Hannes Alfvén ）在自然雜志發表文章《Existence of Electromagnetic–Hydrodynamic Waves》，其中首次提出了后來被稱作阿爾芬波的波動現象。他本人也因為這一工作獲得了1970年的諾貝爾物理學獎。

▲“磁流體力學”之父Hannes Alfvén，1942年

最開始，阿爾文采用的說法是“electromagnetic–hydrodynamic waves（電磁流體動力波）”，但隨后他指出：As the term “electromagnetic-hydrodynamic waves” is some what complicated, it may be convenient to call the phenomenon “magnetohydrodynamic” waves. （由于“電磁流體動力波”這個術語有些復雜，為了方便起見，可以將這種現象稱為“磁流體動力波”。）這標志著MHD（magnetohydrodynamic）的正式誕生。阿爾文還提到，之所以沒有采用更簡短的“hydromagnetic”，是因為這個表述不夠精確。盡管1983 年諾貝爾物理學獎得主、美國天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（S. Chandrasekhar）在1950年代集中研究磁流體力學和流體動力學時，于1961年了出版關于MHD的經典著作 《Hydrodynamic and Hydromagnetic stability》，無視阿爾芬關于hydromagnetic不夠準確的觀點，繼續采用hydromagnetic的稱呼，但是最終，學術界還是普遍采用了MHD的說法。

▲1983 年諾貝爾物理學獎得主、美國天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（S. Chandrasekhar）

國內外關于MHD的教材有很多，其中影響力最大也最為經典的是MIT教授J.P. Freidberg基于自己的科研和教學經歷，于1987年出版的《Ideal Magnetohydrodynamics》。國內影響力最大、被中國科學技術大學等離子體物理專業 “等離子體電磁流體力學“課程多年當作教材使用的，則是由我國著名等離子體物理學家胡希偉先生1987年整理印刷在中科大任教時的講義的第一部分。近年來國內也有若干其他磁流體力學的教材出版，由于作者背景的不同，側重點自然不一樣。如南大出版社2023年出版的《磁流體力學》聚焦于天體物理、空間物理等領域所需的磁流體力學的基本概念、基本理論、基本方法和應用；北大出版社2024年出版的《托卡馬克磁流體力學理論》則較為系統介紹了托卡馬克中磁流體力學的各種不穩定性，但從難度上看，并不適合作為低年級研究生教材。本書（《磁流體力學基礎》）是根據作者過去五年在科大教授研究生磁流體力學課程的講義編著而成，一方面有確鑿的現場教學效果檢驗和學生反饋，一方面有胡希偉先生的珠玉為藍本，使得本書從內容廣度、深度和數學難度上綜合來看，皆為等離子體物理專業低年級研究生必修課程教材的不二之選。

▲托卡馬克的磁場和磁面示意圖

舉例來說，在第一章中增加了曲線坐標系和環形約束系統中磁場來龍去脈的詳細推導，對以磁約束聚變為研究方向的研究生來說，深入淺出的數學過程和物理圖像分析，讓學生真正做到了“知其然，知其所以然“，在以后的科研工作中，不再是被動的”拿來主義“。第五章中增加了對氣球模不穩定性的詳細數學推導。作為磁約束聚變等離子體物理領域知名的一種不穩定性，國內的教科書上卻很少有對其非常系統的介紹。對初學者來說，如果沒有基本公式的一步一步建立演示，而只是給出結論性的表達式和泛泛而談的物理圖像，實則并無多大裨益。

當然，本書依然存在一些缺點：由于作者個人的理論背景，在數值和實驗領域方面的介紹較為匱乏；由于教學時長的限制，作者對撕裂模的數學和物理圖像未作任何介紹，堪稱遺憾。也許本書以后再版，作者可以補充相關內容，使得本書可以成為一本更加完善的“磁流體力學“基礎教材。

書名：磁流體力學基礎

?♂? 作者：任海駿

內容簡介

本書基于中國科學技術大學研究生專業課程“等離子體電磁流體力學”的講義整理而成。全書系統地闡述磁流體力學方程組及其基本性質、磁流體力學平衡、磁流體力學波與磁流體力學不穩定性等核心內容，并對慣性約束內爆中的流體不穩定性作專題介紹。在阿爾芬波連續譜的論述中，引入奇異攝動理論的基本知識，為讀者后續自行研讀撕裂模相關的邊界層理論奠定基礎；同時，專門講解曲線坐標系的基礎概念，詳細分析環形約束裝置中的磁場位形與磁面坐標。在討論磁流體平衡時，還納入近年來備受關注的各向異性效應、環向轉動平衡流等物理因素對托卡馬克平衡的影響，反映該領域的最新研究動態。

本書適合作為高等學校物理專業的教材或教學參考書，也可供相關專業師生及科技工作者參考。