發現自然之美 諾貝爾物理獎1970

1970 年的諾貝爾物理獎頒給瑞典物理學家漢尼斯· 奧洛夫· 哥斯達· 阿爾文（Hannes Olof Gösta Alfvén，1908-1995）以及法國科學家路易· 歐仁· 費利克斯· 奈爾（Louis Eugène Félix Néel，1904-2000）。前者的得獎理由是「磁流體動力學的基礎研究和發現，及其在電漿物理學富有成果的應用」，後者則是「關於反鐵磁性和鐵磁性的基礎研究和發現以及在固態物理學方面的重要應用」。前者是應用於天文現象的電漿物理，後者則是固態物理，兩者的共通點只有磁性這一點吧。這樣的組合在諾貝爾物理獎的歷史上實屬少見。

路易· 歐仁· 費利克斯· 奈爾

Louis Eugène Félix Néel

圖片來源

漢尼斯· 奧洛夫· 哥斯達· 阿爾文

Hannes Olof Gösta Alfvén

圖片來源

阿爾文1908 年出生於瑞典的北雪平，1926 年進入烏普薩拉大學就讀，1934 年獲得該校博士學位。而後阿爾文在烏普薩拉大學和斯德哥爾摩的諾貝爾物理學院教授物理學課程，1940 年起擔任斯德哥爾摩皇家理工學院教授。1967 年，阿爾文移居美國，在加州大學聖地牙哥分校和南加州大學執教。1991 年退休，退休時是加利福尼亞大學聖地牙哥分校的電機工程教授和皇家工學院的電漿物理教授。

阿爾文最初從事電學儀器的理論和實驗工作，1930 年代後期開始研究宇宙尺度上的電場和電流系統，以及宇宙線的起源問題。他在1939 年發表了與白克蘭電流相關的一篇文章，贊同挪威科學家克里斯蒂安· 白克蘭（Kristian Olaf Bernhard Birkeland，1867-1917）在1908 年主張極光裡的電流是由太陽延伸出來的帶電微粒進入所引發的主要次級效應。當時英國物理學家Sydney Chapman（1888-1970）力斥這種主張是無稽之談，而阿爾文的文章也遭到退稿。

要等到美國海軍在1963 年發射的衛星1963-38C，攜帶了磁強計去探測電離層，1966 年，阿耳芬· 史慕達（Alfred Zmuda）、馬丁（J.H. Martin）、和海寧（F.T.Heuring）分析了衛星磁強計的結果，並且報告它們發現磁場對極光造成的擾動。在1967 年，亞力克斯· 戴斯（Alex Dessler）和他的一位學生大衛· 卡明斯（David Cummings）寫了一篇論文，討論史慕達等人發現的場向電流。阿爾文得知後認定由戴斯" 發現的電流是白克蘭之前預測的現象，它應該被稱為白克蘭· 戴斯電流。白克蘭的理論才終於被確認了。

阿爾文獲獎的理由是他所開創的磁流體力學（MHD，Magnetohydrodynamics）。磁流體力學將電漿體作為連續介質處理，其特徵尺度遠遠大於帶電粒子的平均自由路徑、特徵時間也遠遠大於粒子的平均碰撞時間，不需考慮單個粒子的運動。由於磁流體力學只關心流體元的平均效果，因此是一種近似，但是它足以解釋電漿體中的大多數現象，廣泛應用於電漿體物理學的研究。磁流體力學的基本方程是流體力學中的納維－斯托克斯方程和電動力學中的麥克斯威方程組。1940 年代末，阿爾文開始將磁流體動力學應用於天體物理學，研究了太陽黑子、天體磁場起源、行星際電漿體的性質。

此外，阿爾文波也是由他首先預測，因而得名的。所謂阿爾文波又稱剪切阿爾文波，是電漿體中的一種沿磁場方向傳播的波，這種波的頻率遠低於電漿體的迴旋頻率，是一種線偏振的低頻橫波。處在磁場中的導電流體在垂直於磁場的方向上受到局部擾動時，沿著磁感線方向的磁張力提供恢復力，就會激發阿爾文波。

阿爾文性格幽默，興趣廣泛，參加過包括國際裁軍運動在內的眾多社會活動。他還在科學史、東方哲學、宗教方面有一定研究，並且通曉瑞典語、英語、德語、法語、俄語，還會講一些西班牙語和漢語。阿爾文和他的妻子柯爾斯頓（Kirsten）生育了1 個兒子4 個女兒，兒子成為醫生，一個女兒成為作家，一個女兒成為律師。有趣的是，雖然得到諾貝爾獎的肯定，他的文章還是常遭主流期刊退稿，實屬罕見。

另一位得獎者與阿爾文大異其趣。他是法國的路易· 奈爾（Louis Eugène Félix Néel，1904-2000）。他進入巴黎高等師範學院就讀（1924-1928）。後來在史特拉斯堡大學獲得理學博士學位。奈爾於1928 年至1939 年間在史特拉斯堡的Weiss 教授實驗室開始了他的第一項磁學研究工作。1939 年他應徵入伍，致力於保護法國艦隊的艦船免受德國磁雷的攻擊，並發明了一種有效的新保護方法。1940 年停戰後，他前往格勒諾布爾（Grenoble）建立了金屬靜電與物理實驗室，該實驗室於1946年成為國家科學研究中心的實驗室之一。這個實驗室迅速擴展並催生了新的實驗室。

大約在1930 年，他發現存在一種新形式的磁行為。稱為反鐵磁性，與鐵磁性相對。反鐵磁性（antiferromagnetism），是磁性材料的一種磁學性質。在這種材料中，相鄰電子自旋呈相反方向排列，其磁化率因而接近於零。鉻、錳、輕鑭系元素等等，都具有反鐵磁性。這些材料在超過某個溫度時，晶體內部的原子內能會大到足以破壞材料內部宏觀磁性排列，從而發生相變，由反鐵磁性轉變為順磁性。這個溫度後來被稱為奈爾溫度（Néel temperature），TN，當溫度小於奈爾溫度時，可以分成兩種狀況：

當外磁場垂直於自旋，則垂直磁化率近似為常數。當外磁場平行於自旋，則在絕對溫度時，平行磁化率為零；在從到奈爾溫度之間，平行磁化率會從平滑地單調遞增至定值。

奈爾後來（1948）指出材料也可能存在表現出亞鐵磁性（Ferrimagnetism）。亞鐵磁性的成因是由於不同亞晶格的原子磁矩呈相反指向，如在反鐵磁性中；然而，在亞鐵磁性物質中，相反的磁矩不相等，所以存在凈磁矩，也就是有自發磁化。最早被人知的磁性物質，磁鐵礦（鐵（II,III）氧化物；Fe3O4），為亞鐵磁；它在路易· 奈爾發現亞鐵磁性和反鐵磁性之前，被歸類成鐵磁性物質。

1949 年奈爾還發現，當鐵磁納米粒子被分割成細粒，在低於一定尺寸時，它們會失去磁滯現象；這種現像被稱為超順磁性。這些材料的磁化受外加場的影響，這是高度非線性的。

此外奈爾解決了許多其他問題，擴展了我們對磁性許多方面的了解。其中最重要的是：瑞利定律理論（Rayleigh’s Laws，鐵磁材料由磁域組成。當施加一個小的外場H 時，平行於外場的域開始增長。它們受到材料缺陷的阻礙。瑞利勳爵首先研究了這個現象並將磁化M 量化為外場的線性和二次項）磁粘度（magnetic viscosity，鐵磁體的磁特性，如磁化強度和磁導率，變化相對於外部磁場強度變化的時間延遲。由於磁粘性，樣品的磁化在場強變化後的10−9 秒到幾十分鐘甚至幾小時內建立。在可變場中鐵磁體磁化時，除了渦流和磁滯的電磁能量損失之外，在高頻場中磁粘度也會造成顯著損失）內部色散場（internal dispersion fields，磁性物質內螺旋自旋波的色散現象）磁滯（hysteresis）等等眾多與磁性相關的現象。

奈爾於2000 年11 月17 日在布里夫拉蓋亞爾德去世，享年95 歲，距離96 歲生日僅差5 天。