秦剛：與高能粒子共舞太空

杜月嬌

他長期從事空間高能粒子傳播和加速的研究，創(chuàng)新性地給出了高能粒子在太陽風(fēng)中的非線性擴(kuò)散機(jī)制;

他完善了空間高能粒子在行星際空間傳播的理論機(jī)制，還建立了高能粒子的數(shù)值計(jì)算模型;

…………

他是趙九章青年科學(xué)獎(jiǎng)空間物理領(lǐng)域獲獎(jiǎng)?wù)?、國家杰出青年基金獲得者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）理學(xué)院教授秦剛。一位心懷物理學(xué)家夢想，漫步在空間物理學(xué)領(lǐng)域的追夢人。

深秋時(shí)節(jié)，《科學(xué)中國人》走近這位教授，聆聽他與高能粒子共舞太空的故事——

追逐夢想

——空間物理探索之旅

1971年，秦剛出生于甘肅。這塊大西北厚重的土地，給了秦剛物理學(xué)最初的啟蒙。懷抱要成為一名物理學(xué)家的夢想，1990年，秦剛順利考入北京大學(xué)空間物理學(xué)專業(yè)，并于1995年繼續(xù)在本專業(yè)攻讀碩士研究生，師從國際著名的空間物理學(xué)家涂傳詒教授（現(xiàn)為中國科學(xué)院院士）。1998年，碩士畢業(yè)后的秦剛前往美國特拉華大學(xué)物理與天文系攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，師從另一位國際著名的空間物理學(xué)家威廉·馬特烏斯教授，并于三年零四個(gè)月后拿到了博士學(xué)位。2002—2005年秦剛在美國佛羅里達(dá)理工學(xué)院，在張明教授和喬·德懷爾教授指導(dǎo)下進(jìn)行博士后研究。2005年年底，秦剛聽從祖國召喚，以“中科院百人計(jì)劃”的身份進(jìn)入中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心從事科學(xué)研究。

多年來，秦剛和團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間高能粒子這一空間物理的前沿問題開展了一系列探索。特別在太陽高能粒子的傳播和加速機(jī)制，以及銀河宇宙線在日球?qū)又械恼{(diào)制等方面開展了深入系統(tǒng)的研究。期間，他在The?Astrophysical?Journal、Journal?of?Geophysical?Research等國際主流雜志上發(fā)表論文幾十篇，并被邀請(qǐng)成為國際重要的宇宙線會(huì)議國際科學(xué)委員會(huì)的成員，在宇宙線加速和傳播研究領(lǐng)域的國際舞臺(tái)上積累了一定的影響力。因?yàn)槌錾憩F(xiàn)，2011年，秦剛獲得了“國家杰青”稱號(hào)。隨后，他又獲得了趙九章青年科學(xué)獎(jiǎng)。

2016年，帶著將研究搬下高閣傳承后代的想法，秦剛到哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）理學(xué)院從事教學(xué)和科研工作。秦剛希望能和學(xué)校同仁一起在新時(shí)代為中國空間科學(xué)事業(yè)作出新的貢獻(xiàn)。

舞在太空

——致力于人類太空事業(yè)

采訪伊始，秦剛首先解釋了空間物理學(xué)的主要研究問題和研究對(duì)象。他說：“空間物理學(xué)主要研究地球空間、日地空間和行星際空間的物理現(xiàn)象。它的研究對(duì)象包括太陽、行星際空間、地球等行星的大氣層、電離層、磁層，以及它們之間的相互作用和因果關(guān)系。”

在這個(gè)領(lǐng)域中，秦剛研究的著力點(diǎn)在空間高能粒子?？臻g高能粒子，主要包括太陽高能粒子和銀河宇宙線粒子。高能粒子在太空中具有強(qiáng)烈的輻射效應(yīng)，與地球和我們?nèi)祟愑兄匾穆?lián)系?！暗厍蛏嬖谟诮丨h(huán)境，地球磁場能夠阻擋大量的空間高能粒子進(jìn)入。因此，地球上的生物，在億萬年的進(jìn)化過程中，受到地球磁場非常好的保護(hù)”，秦剛解釋道，“不過有一部分高能粒子還是能夠突破地球磁場進(jìn)入某些近地區(qū)域，特別是進(jìn)入地球上高緯度的地區(qū)。在太陽活動(dòng)劇烈的時(shí)候，高能粒子進(jìn)入近地區(qū)域的問題會(huì)更加顯著。人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以后，發(fā)展了越來越大規(guī)模的高技術(shù)系統(tǒng)，它們對(duì)高能粒子高度敏感，非常脆弱。特別是1958年人類進(jìn)入太空時(shí)代以后，情況發(fā)生了更加顯著的變化。當(dāng)離開近地環(huán)境進(jìn)入空間，沒有了地球磁場的保護(hù)，人類及其高技術(shù)系統(tǒng)就會(huì)暴露在強(qiáng)烈的高能粒子輻射之中?！笨臻g高能粒子輻射對(duì)人類的影響，正是秦剛研究的重點(diǎn)。

據(jù)秦剛介紹，空間高能粒子主要有太陽高能粒子和銀河宇宙線兩類，空間高能粒子的輻射效應(yīng)包括來源于這兩種成分的總和。

太陽本身并不是一個(gè)非常寧靜的星球，它有時(shí)候活動(dòng)性很強(qiáng)，常常劇烈地爆發(fā)，有時(shí)活動(dòng)性又相對(duì)較弱，就表現(xiàn)出平靜的一面。因此，太陽的活動(dòng)表現(xiàn)出周期性的變化。太陽在爆發(fā)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生大量的太陽高能粒子，并在行星際進(jìn)行傳播。通常認(rèn)為：來源于太陽的高能粒子事件，一類是與太陽耀斑有關(guān)的瞬變事件，一類是與日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的行星際激波加速有關(guān)的緩變事件。這些粒子可能對(duì)空間中的飛行器及人員，產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射效應(yīng)。在某些極端條件下，超強(qiáng)極高能的太陽高能粒子可能對(duì)空間環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性影響。

繼續(xù)講述高能粒子的故事，秦剛將記者的思緒引向來源于銀河系的宇宙線。他說：“在銀河系里，有非常強(qiáng)大的高能粒子加速源。它可以把帶電粒子加速到非常高的能量，從而產(chǎn)生銀河宇宙線。銀河宇宙線可以進(jìn)入太陽系。此時(shí)，由于受到太陽風(fēng)和行星際磁場的阻礙作用，它的強(qiáng)度就會(huì)減弱，這就是銀河宇宙線在太陽系中的調(diào)制現(xiàn)象。銀河宇宙線的強(qiáng)度通常在小的時(shí)間尺度上變化很小。只有在太陽爆發(fā)的時(shí)候，即太陽活動(dòng)非常劇烈的時(shí)候，銀河宇宙線的強(qiáng)度才會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間大幅度變化。另外，在太陽活動(dòng)周期這樣的大的時(shí)間尺度上看，它的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生比較顯著的強(qiáng)弱變化，這是由于太陽活動(dòng)性的強(qiáng)弱不同，導(dǎo)致銀河宇宙線在太陽系中受到的調(diào)制程度不同?！?/p>

在空間中，太陽的劇烈爆發(fā)會(huì)引起強(qiáng)烈的日冕拋射、高速太陽風(fēng)、磁暴、電離層的騷擾，以及空間高能粒子輻射的迅速增強(qiáng)，等等，這些被稱為空間天氣現(xiàn)象。惡劣的空間天氣會(huì)引起衛(wèi)星運(yùn)行、通信、導(dǎo)航，以及電站輸送網(wǎng)絡(luò)的損害，甚至造成瞬間崩潰，所以需要盡可能進(jìn)行預(yù)報(bào)和避免。

秦剛認(rèn)為，研究清楚高能粒子的傳播過程和加速機(jī)制就是人類對(duì)災(zāi)難性空間天氣進(jìn)行預(yù)測和規(guī)避的一把鑰匙。為了探討這個(gè)問題，他們進(jìn)行了大規(guī)模的理論和模擬研究，得到了新的空間高能粒子在日球?qū)哟艌鲋械姆蔷€性擴(kuò)散理論，并且引入高能粒子的傳播模型中。采用新的理論模型，秦剛和他的團(tuán)隊(duì)深入研究了太陽高能粒子在太陽系中的傳播和加速機(jī)制，以及銀河宇宙線在不同時(shí)間尺度上受到太陽活動(dòng)的調(diào)制過程。從而，他們可以預(yù)測太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱在高能粒子輻射方面對(duì)飛船、宇航員、人類的各種高技術(shù)系統(tǒng)的影響。他們的工作，有助于對(duì)來自太陽高能粒子和銀河宇宙線粒子的輻射劑量進(jìn)行綜合判斷，這對(duì)人類探索外太空極其重要。

秦剛的團(tuán)隊(duì)利用對(duì)空間高能粒子的長期研究基礎(chǔ)，投身于空間粒子輻射環(huán)境的空間天氣預(yù)報(bào)事業(yè)中。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的實(shí)驗(yàn)室，置身于其科研團(tuán)隊(duì)的年輕科學(xué)家中間，秦剛對(duì)于未來充滿期待，他希望自己的研究能為未來人類的太空探索貢獻(xiàn)一份力量！

（責(zé)編：關(guān)弋）