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，創新性地給出了高能粒子在太陽風中的非線性擴散機制；

他完善了空間高能粒子在行星際空間傳播的理論機制，還建立了高能粒子的數值計算模型；

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他是趙九章青年科學獎空間物理領域獲獎者、國家杰出青年基金獲得者、哈爾濱工業大學（深圳）理學院教授秦剛。一位心懷物理學家夢想，漫步在空間物理學領域的追夢人。

深秋時節，《科學中國人》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，給了秦剛物理學最初的啟蒙。懷抱要成為一名物理學家的夢想，1990年，秦剛順利考入北京大學空間物理學專業，并于1995年繼續在本專業攻讀碩士研究生，師從國際著名的空間物理學家涂傳詒教授（現為中國科學院院士）。1998年，碩士畢業后的秦剛前往美國特拉華大學物理與天文系攻讀物理學博士學位，師從另一位國際著名的空間物理學家威廉·馬特烏斯教授，并于三年零四個月后拿到了博士學位。2002—2005年秦剛在美國佛羅里達理工學院，在張明教授和喬·德懷爾教授指導下進行博士后研究。2005年年底，秦剛聽從祖國召喚，以“中科院百人計劃”的身份進入中國科學院國家空間科學中心從事科學研究。

多年來，秦剛和團隊針對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制，以及銀河宇宙線在日球層中的調制等方面開展了深入系統的研究。期間，他在

The Astrophysical Journal、Journal of Geophysical Research

等國際主流雜志上發表論文幾十篇，并被邀請成為國際重要的宇宙線會議國際科學委員會的成員，在宇宙線加速和傳播研究領域的國際舞臺上積累了一定的影響力。因為出色表現，2011年，秦剛獲得了“國家杰青”稱號。隨后，他又獲得了趙九章青年科學獎。

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

秦剛

舞在太空——致力于人類太空事業

采訪伊始，秦剛首先解釋了空間物理學的主要研究問題和研究對象。他說：“空間物理學主要研究地球空間、日地空間和行星際空間的物理現象。它的研究對象包括太陽、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系。”

在這個領域中，秦剛研究的著力點在空間高能粒子。空間高能粒子，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烈的輻射效應，與地球和我們人類有著重要的聯系。“地球生命存在于近地環境，地球磁場能夠阻擋大量的空間高能粒子進入。因此，地球上的生物，在億萬年的進化過程中，受到地球磁場非常好的保護”，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入某些近地區域，特別是進入地球上高緯度的地區。在太陽活動劇烈的時候，高能粒子進入近地區域的問題會更加顯著。人類進入工業社會以后，發展了越來越大規模的高技術系統，它們對高能粒子高度敏感，非常脆弱。特別是1958年人類進入太空時代以后，情況發生了更加顯著的變化。當離開近地環境進入空間，沒有了地球磁場的保護，人類及其高技術系統就會暴露在強烈的高能粒子輻射之中。”空間高能粒子輻射對人類的影響，正是秦剛研究的重點。

據秦剛介紹，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包括來源于這兩種成分的總和。

太陽本身并不是一個非常寧靜的星球，它有時候活動性很強，常常劇烈地爆發，有時活動性又相對較弱，就表現出平靜的一面。因此，太陽的活動表現出周期性的變化。太陽在爆發的時候，就會產生大量的太陽高能粒子，并在行星際進行傳播。通常認為：來源于太陽的高能粒子事件，一類是與太陽耀斑有關的瞬變事件，一類是與日冕物質拋射驅動的行星際激波加速有關的緩變事件。這些粒子可能對空間中的飛行器及人員，產生強烈的輻射效應。在某些極端條件下，超強極高能的太陽高能粒子可能對空間環境產生災難性影響。

繼續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，從而產生銀河宇宙線。銀河宇宙線可以進入太陽系。此時，由于受到太陽風和行星際磁場的阻礙作用，它的強度就會減弱，這就是銀河宇宙線在太陽系中的調制現象。銀河宇宙線的強度通常在小的時間尺度上變化很小。只有在太陽爆發的時候，即太陽活動非常劇烈的時候，銀河宇宙線的強度才會出現短時間大幅度變化。另外，在太陽活動周期這樣的大的時間尺度上看，它的強度就會發生比較顯著的強弱變化，這是由于太陽活動性的強弱不同，導致銀河宇宙線在太陽系中受到的調制程度不同。”

在空間中，太陽的劇烈爆發會引起強烈的日冕拋射、高速太陽風、磁暴、電離層的騷擾，以及空間高能粒子輻射的迅速增強，等等，這些被稱為空間天氣現象。惡劣的空間天氣會引起衛星運行、通信、導航，以及電站輸送網絡的損害，甚至造成瞬間崩潰，所以需要盡可能進行預報和避免。

秦剛認為，研究清楚高能粒子的傳播過程和加速機制就是人類對災難性空間天氣進行預測和規避的一把鑰匙。為了探討這個問題，他們進行了大規模的理論和模擬研究，得到了新的空間高能粒子在日球層磁場中的非線性擴散理論，并且引入高能粒子的傳播模型中。采用新的理論模型，秦剛和他的團隊深入研究了太陽高能粒子在太陽系中的傳播和加速機制，以及銀河宇宙線在不同時間尺度上受到太陽活動的調制過程。從而，他們可以預測太陽活動的強弱在高能粒子輻射方面對飛船、宇航員、人類的各種高技術系統的影響。他們的工作，有助于對來自太陽高能粒子和銀河宇宙線粒子的輻射劑量進行綜合判斷，這對人類探索外太空極其重要。

秦剛的團隊利用對空間高能粒子的長期研究基礎，投身于空間粒子輻射環境的空間天氣預報事業中。在哈爾濱工業大學（深圳）的實驗室，置身于其科研團隊的年輕科學家中間，秦剛對于未來充滿期待，他希望自己的研究能為未來人類的太空探索貢獻一份力量！