秦刚：与高能粒子共舞太空

他长期从事空间高能粒子传播和加速的研究，创新性地给出了高能粒子在太阳风中的非线性扩散机制；

他完善了空间高能粒子在行星际空间传播的理论机制，还建立了高能粒子的数值计算模型；

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他是赵九章优秀中青年科学奖空间物理领域获奖者、国家杰出青年科学基金获得者、哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授秦刚。一位心怀物理学家梦想，漫步在空间物理学领域的追梦人。

2021年深秋时节，《科学中国人》走近这位教授，聆听他与高能粒子共舞太空的故事——

秦刚

追逐梦想——空间物理探索之旅

1971年，秦刚出生于甘肃。这块大西北厚重的土地，给了秦刚物理学最初的启蒙。怀抱要成为一名物理学家的梦想，1990年，秦刚顺利考入北京大学空间物理学专业，并于1995年继续在本专业攻读硕士研究生，师从国际著名的空间物理学家涂传诒教授（现为中国科学院院士）。

1998年，硕士毕业后的秦刚前往美国特拉华大学物理与天文系攻读物理学博士学位，师从另一位国际著名的空间物理学家威廉·马特乌斯教授，并于三年零四个月后拿到了博士学位。2002—2005年秦刚在美国佛罗里达理工学院，在张明教授和乔·德怀尔教授指导下进行博士后研究。2005年年底，秦刚听从祖国召唤，以“中科院百人计划”的身份进入中国科学院国家空间科学中心从事科学研究。

多年来，秦刚和团队针对空间高能粒子这一空间物理的前沿问题开展了一系列探索。特别在太阳高能粒子的传播和加速机制，以及银河宇宙线在日球层中的调制等方面开展了深入系统的研究。

期间，他在The Astrophysical Journal、Journal of Geophysical Research等国际主流杂志上发表论文几十篇，并被邀请成为国际重要的宇宙线会议国际科学委员会的成员，在宇宙线加速和传播研究领域的国际舞台上积累了一定的影响力。因为出色表现，2011年，秦刚获得了国家杰出青年科学基金。随后，他又被授予赵九章青年科学奖。

2016年，带着将研究搬下高阁传承后代的想法，秦刚到哈尔滨工业大学（深圳）理学院从事教学和科研工作。秦刚希望能和学校同仁一起在新时代为中国空间科学事业作出新的贡献。

舞在太空——致力于人类太空事业

采访伊始，秦刚首先解释了空间物理学的主要研究问题和研究对象。他说：“空间物理学主要研究地球空间、日地空间和行星际空间的物理现象。它的研究对象包括太阳、行星际空间、地球等行星的大气层、电离层、磁层，以及它们之间的相互作用和因果关系。”

在这个领域中，秦刚研究的着力点在空间高能粒子。空间高能粒子，主要包括太阳高能粒子和银河宇宙线粒子。高能粒子在太空中具有强烈的辐射效应，与地球和我们人类有着重要的联系。

“地球生命存在于近地环境，地球磁场能够阻挡大量的空间高能粒子进入。因此，地球上的生物，在亿万年的进化过程中，受到地球磁场非常好的保护”，秦刚解释道，“不过有一部分高能粒子还是能够突破地球磁场进入某些近地区域，特别是进入地球上高纬度的地区。在太阳活动剧烈的时候，高能粒子进入近地区域的问题会更加显著。人类进入工业社会以后，发展了越来越大规模的高技术系统，它们对高能粒子高度敏感，非常脆弱。特别是1958年人类进入太空时代以后，情况发生了更加显著的变化。当离开近地环境进入空间，没有了地球磁场的保护，人类及其高技术系统就会暴露在强烈的高能粒子辐射之中。”

空间高能粒子辐射对人类的影响，正是秦刚研究的重点。据秦刚介绍，空间高能粒子主要有太阳高能粒子和银河宇宙线两类，空间高能粒子的辐射效应包括来源于这两种成分的总和。

太阳本身并不是一个非常宁静的星球，它有时候活动性很强，常常剧烈地爆发，有时活动性又相对较弱，就表现出平静的一面。因此，太阳的活动表现出周期性的变化。太阳在爆发的时候，就会产生大量的太阳高能粒子，并在行星际进行传播。

通常认为：来源于太阳的高能粒子事件，一类是与太阳耀斑有关的瞬变事件，一类是与日冕物质抛射驱动的行星际激波加速有关的缓变事件。这些粒子可能对空间中的飞行器及人员，产生强烈的辐射效应。在某些极端条件下，超强极高能的太阳高能粒子可能对空间环境产生灾难性影响。

继续讲述高能粒子的故事，秦刚将记者的思绪引向来源于银河系的宇宙线。他说：“在银河系里，有非常强大的高能粒子加速源。它可以把带电粒子加速到非常高的能量，从而产生银河宇宙线。银河宇宙线可以进入太阳系。此时，由于受到太阳风和行星际磁场的阻碍作用，它的强度就会减弱，这就是银河宇宙线在太阳系中的调制现象。银河宇宙线的强度通常在小的时间尺度上变化很小。只有在太阳爆发的时候，即太阳活动非常剧烈的时候，银河宇宙线的强度才会出现短时间大幅度变化。另外，在太阳活动周期这样的大的时间尺度上看，它的强度就会发生比较显著的强弱变化，这是由于太阳活动性的强弱不同，导致银河宇宙线在太阳系中受到的调制程度不同。”

在空间中，太阳的剧烈爆发会引起强烈的日冕抛射、高速太阳风、磁暴、电离层的骚扰，以及空间高能粒子辐射的迅速增强，等等，这些被称为空间天气现象。恶劣的空间天气会引起卫星运行、通信、导航，以及电站输送网络的损害，甚至造成瞬间崩溃，所以需要尽可能进行预报和避免。

秦刚认为，研究清楚高能粒子的传播过程和加速机制就是人类对灾难性空间天气进行预测和规避的一把钥匙。为了探讨这个问题，他们进行了大规模的理论和模拟研究，得到了新的空间高能粒子在日球层磁场中的非线性扩散理论，并且引入高能粒子的传播模型中。

采用新的理论模型，秦刚和他的团队深入研究了太阳高能粒子在太阳系中的传播和加速机制，以及银河宇宙线在不同时间尺度上受到太阳活动的调制过程。从而，他们可以预测太阳活动的强弱在高能粒子辐射方面对飞船、宇航员、人类的各种高技术系统的影响。他们的工作，有助于对来自太阳高能粒子和银河宇宙线粒子的辐射剂量进行综合判断，这对人类探索外太空极其重要。

秦刚的团队利用对空间高能粒子的长期研究基础，投身于空间粒子辐射环境的空间天气预报事业中。在哈尔滨工业大学（深圳）的实验室，置身于其科研团队的年轻科学家中间，秦刚对于未来充满期待，他希望自己的研究能为未来人类的太空探索贡献一份力量！

专家简介：

秦刚，哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，深圳市国家级领军人才。多年来坚持从事空间物理与空间天气相关领域的研究工作，专注于太阳高能粒子的传播和加速机制、银河宇宙线在日球层中的调制，以及太阳活动的研究。2002年，曾赴美国特拉华大学参加博士后阶段的研究工作；2005年回国，加入中国科学院国家空间科学中心担任研究员一职；2016年加入哈尔滨工业大学（深圳）担任教授一职。多年来，研究成果显著，成绩斐然，曾于2006年入选中国科学院“百人计划”；2011年荣获国家杰出青年科学基金；2013年荣获“赵九章优秀中青年科学奖”。