PHY3. 忆·地球与空间物理

大二下时，也许是终于下定了决心要转院，我将自己的选课集中于地秋与空间物理的各个方向，以做最后的挣扎：我希望能在对地球与空间物理有了充分了解之后，不犹豫且不后悔地心满意足地离开。我学习了流体力学（主讲老师的研究方向是大气、海洋和行星）；空间等离子体物理（空间物理）；地球灾害（关注地球物理研究与自然灾害、人类活动之间的联系）…… 而如今，这些学科终于成为过往的回忆。除了一部分关于流体、等离子体的基础理论，这些关于地球与空间的学科无疑是与理论物理相割裂的，也许我将来的科研再也用不到它们，也再也不必了解它们。不管如何，为了纪念那段时光，我还是来写一些回忆吧。

地球与空间物理并非不重要，它对于发展国家的科学技术、保护人类家园来说是至关重要的，而且由于它更接近于人们所说的“交叉学科”、“实用学科”，这方面有许许多多的难题待解决。此外，这还是个非常新的学科，且不论PKU的地空学院在2001年才成立，国内关于这个学科的建设也尚未成熟；关于地球内部结构的理论，关于日地空间、地球磁层等方面的许多理论才诞生于几十年前，一些理论甚至还只是猜想，背后有丰富的内涵待人们挖掘。只不过，地球与空间方面物理理论的发展极端依赖于人们的观测手段以及特定的自然条件。就好比如果我们要研究地球物理与地震学，最好的方式是利用各个台站接受到的地震波信号，对数据进行处理和分析。那么，一旦台站分布比较稀疏，我们就无法进一步地做研究了。这是由于地球内部并不是均匀的介质，而是一个相当庞大而复杂的系统，不同地方有不同的物理性质，与地形、地质等因素息息相关；而我们正是企图通过在其表面布置几个台站来分析其内部结构，就好像医生拿着听诊器推断病人的身体状况。医院可以用 X 光、B 超、核磁共振等手段揭示人体内部的图景，但人们却拿地球毫无办法：电磁波或那些常见的粒子是不可能透过地球的，引力波、中微子虽然能够“穿”过地球，但前者太微弱、后者的设备太昂贵。到最后，我们所能依赖的只有地震波了。于是，地震台网的建设极大的影响着人们对地震以及地球物理的研究。另一方面，地震学家们所面对的是一个巨大的难题——地震的不确定性。地球活动有着与大气活动类似的蝴蝶效应：“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”因此，对地震时间和大小的预报是相当困难的（近乎不可能的），地震学家们只好将目标转移到，当地震发生以后，如何利用那之后获得的有限的信息快速地推断出它所持续的时间和灾害的规模，以便和相关部们协同合作，为之后的抗震救灾做准备。种种因素导致地球物理的研究非常需要信号处理和分析的能力（上面提到的地震学只是地球物理的一方面，还有其他许多方面），而很少依赖于数学物理直觉，这正是我转院的一部分原因。我的性格与爱好使我不能够在这样的学科领域中坚持下去，而理论物理才是更适合我的归宿。

在回北京的列车上，我开始水群——我曾经加入了一个由科学爱好者组成的科普交流群。虽然群主是高能物理的博士，但他热衷于科普，喜欢与广大热爱科学的群众交流。群里有时冒出民科式的问题，有时也会出现一些正经的提问，更多的时候那些提问非常的朴素却有趣，引发人的遐想。例如装水的杯子会不会点燃啊，天为什么是蓝的，基本粒子的研究为什么重要等等。不过令我惊喜的是，群里常常出现关于地球和空间科学的提问，于是我便加入对话，将我所了解的全部说出来。我在这个群里似乎变身为对地球与空间科学的专家，能够游刃有余地回答他们的问题，对一些不知道的问题我也能游刃有余地回答“我猜测……”或“我不知道……” 这种体验是极棒的，在列车上我不知不觉地就这样水了半个小时的群。一个群友提问“我们是怎么测量太阳中心的温度的呢？”我仔细一想，这实在是个好问题啊，虽然我以前没想过这个问题，但用我所学的知识完全可以解决。首先肯定要用普朗克的黑体辐射定律，由电磁波辐射推断温度。其次，这样得到的温度只是太阳表面的温度，这与太阳中心的温度肯定是有差异的，那么差异来自于哪里呢？我们知道，太阳内部时刻发生着核反应，核聚变带来的大量能量维持着内部的高温，从而太阳能源源不断地向外辐射能量。但我们不知道内部核反应究竟是怎样的程度，那该怎么办呢？这就要回溯到温度的定义了。基于热力学三大定律的温度的定义是基于平衡态的均匀体系的，而太阳内部的等离子体如果近似视为理想气体，那么就可以利用理想气体状态方程，得到压强和温度的关系。再进一步，怎么分析太阳中心的压强呢？这又归结到引力，在引力相互作用下，太阳物质能够聚集在那里维持一个球状的系统，而中心的压强自然是更高的。看吧，人们感到好奇的那些问题，常常是复杂而深刻的，让人着迷。和群友的讨论逐渐从太阳转变到核聚变，以及人们在地球上实现核聚变的难点，然后又回到太阳，我开始滔滔不绝地讲解黑子、日珥的理论…… 然后大家又开始讨论科幻小说，似乎在某个小说中，一个外星文明是居住在太阳中心的…… 看来地球与空间科学的意义，早就孕育于人们的想象中之中了。

标签：PHY3,太阳,地球,地球物理,空间,物理,温度
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