光斥力论-魏鼎文

一项基本自然规律的探索与发现

——“光斥力论”的诞生记

魏鼎文

作者简介：

魏鼎文，1933年6月生，安徽寿县人，1954年毕业于南京大学气象学系，为中国科学院大气物理研究所研究员。曾任国际臭氧委员会委员、中国国务院环境保护委员会科学顾问多年。20世纪80至90年代，曾先后应邀赴美国科罗拉多州立大学、美国国家气象中心、加拿大环境部，作为访问教授，进行合作研究。共发表科学论文数十篇及专著两部，并出版《魏鼎文论文选集》。由于作者在大气遥感科学领域内的里程碑式的贡献，及台风研究方面创造性的成果，获得1978年全国科学大会颁发的两项大奖。此后，在台风研究方面，又获1990年中国科学院自然科学二等奖。被国务院授予为有突出贡献的科学家，享受政府特殊津贴。

目录

前言 (3)

第一章“斥力论”概览 (4)

想法的由来 (4)

三个“未解之谜”的启发 (5)

太阳风起源与加速之谜 (5)

高层大气温度突然上升之谜 (7)

原始宇宙线起源之谜 (9)

“斥力论”核心思想的提出 (10)

两个大胆的假设 (11)

核心公式介绍 (13)

第二章如何验证“斥力论”的正确性 (15)

证明一种理论的两种方法 (15)

我亲身经历的两次“完美逆转” (16)

第一件，挑战世界级权威，感谢叶笃正院士的培养和帮助 (16)

第二件，对南极臭氧空洞成因的研究，挑战诸多国际级权威 (19)

对三个未解现象的解释——证明“斥力论”的正确性 (21)

第一个证明：太阳风的密度和速度的空间分布 (22)

第二个证明：使高层大气升温的能源 (23)

第三个证明：原始宇宙线起源 (25)

由“斥力论”原理提出的几个预测 (26)

预测一：地球大气的尾巴 (26)

预测二：所有类似太阳的恒星一定都有恒星冕和恒星风 (27)

预测三：日冕的能源机制问题或可以得到解决 (27)

第三章斥力论的重大意义与受到的冷遇 (29)

“斥力论”的重大意义 (29)

“光斥力”是一种自然规律 (29)

可以部分地解释宇宙膨胀 (29)

对光的本质的理解有可能更上一层楼 (29)

可能设计出新式加速器 (30)

“斥力论”提出后受到的冷遇 (30)

论文发表，阻力重重——感谢胡耀邦同志的帮助 (30)

论文遇冷，鲜有回应 (31)

成书出版，再遭冷遇 (32)

结语 (33)

前言

仰望星空，看到的都是过去。

虽然我已不是那个痴狂青年，但每当仰望天空，我都会想起20岁时躺在南京大学东南大楼草坪上的情形。因为从那一刻起，“光和空间自由带电粒子的关系究竟是怎样的”这个问题就在我的脑子里扎下了根。虽然现在我已是年过古稀的老人，但面对传播“斥力论”的重重困难，我却更加坚定自己的思想。

更明确地说，“斥力论”是“光斥力论”的简称（以下提到“斥力论”皆指“光斥力论”），其的核心部分于1977年在《科学通报》上发表，理论的整个思想在2004年写成专著1并出版。时间走到了2012年，我还在为这一理论的发展而奔走。而且我还会继续坚持下去。

如果您也是个喜欢创新的人，请来听我讲讲我所提出的“斥力论”的故事。希望我用毕生精力研究的理论能带给年轻人一些启发，不单单是在知识层面，更是在意志层面。

同时，我也是怀着兴奋与悲凉的矛盾心情来写这个故事。每当我看到网上那么多朋友因我们这个古老而伟大的民族没有一个人（指在中国大陆成长的中国人）获得过诺贝尔奖而痛心疾首时，我的内心也久久不能平静。我为“斥力论”奋斗研究近60个春秋，一直坚信它是自然科学领域的一个重大发现，但长久以来我得到的却只有冷遇。

亲爱的朋友，如果您看到了这篇小文，希望您觉得它是有趣的、可读的和有意义的，并且我热忱的期望得到您的回应、帮助和指教。

1《斥力论——关于一个基本自然律的学说》，魏鼎文著，中国水利水电出版社，2004

第一章“斥力论”概览

“斥力论”是“光斥力论”的简称，指的是光对空间自由带电粒子2的斥力。我认为在宇宙空间里存在一个新的力，这种力就是光的斥力，在宇宙这个尺度上它与万有引力相对抗构成对立的统一，推动着很多重大自然现象的发生、变化和发展。

想法的由来

“斥力论”基本想法的诞生，大概要追溯到1953年的春天。当时我在南京大学气象学系读书。有一天我躺在南京大学东南大楼的草坪上，看着一片片云彩飘过，突然一个疑问跳进我的脑中：“大气的外缘到底是什么样子的呢？”。

从地理学角度来讲，地球可分为四个比较公认的范围：大气层、生物圈、水界和陆地。由水界和陆地组成的地球的外轮廓基本上是圆的。那么大气层呢？大气的外缘应该是什么样子的呢？这个问题教科书上并没有答案。

所以气象学专业的我就对此产生了兴趣。地球大气层应该有个外缘或者有一个过渡带，过渡到星际空间，不可能一直是模模糊糊的，没有分界。当时我就想光线也许是促成这个分界产生的一个原因。

最开始，我希望用“光压”来解决这个问题。所谓“光压”，即是射在物体上的光所产生的压力。其实阳光照在身体上时，我们不仅会感觉发暖，也有压力，只是因为人的感觉器官的限制而感觉不到而已。因此光的压力有可能对地球外缘的大气边缘产生力的作用。但是它的量值实在太微小了，随着岁月的推移，我就把它放弃了。

地球的高层大气一定是电离的，属于带电粒子，就是后来我们称之为等离子体的东西。这时我脑子里就产生了“光和空间带电的粒子有可能存在一些关系”的想法，并为此写出了一篇论文。当然那篇论文是很幼稚的，但其中的思想，光和空间自由带电粒子之间有关系，在我脑子里是扎了根的。

2带电粒子是指带有电荷的微粒，又称等离子体。等离子体中的微粒都是带有电荷的。它是物质在宇宙中最普通的型态，并被认为是物质的第四态，因为它的性质不同于固体、液体和气体。本文所讲的带电粒子都是指在气体或空间里的粒子，而不是在液体或固体里。

1954年从南京大学毕业后我被分到了当时的中国科学院地球物理研究所3，从事的工作就是对于大气臭氧层的观测和研究。但是我对那个疑问还是念念不忘，仍然在考虑着。

三个“未解之谜”的启发

到了20世纪50年代末期，随着宇宙火箭的发展，对于地球高空的探测有了不少新的发现，但也遇到了新的难题。其中3个在20世纪五六十年代初期发现的但至今还没有准确科学解释的现象，对我形成“斥力论”的基本思想起了很大作用。

太阳风起源与加速之谜

“太阳风”一词是在20世纪50年代由美国天文学家尤金·派克（E.N.Parker）提出的，但直到60年代才证实了它的存在。太阳风是20世纪空间探测的重要发现之一。经过五十多年的探测研究，我们对太阳风的物理性质有了基本了解，但是至今人们仍然无法解释，太阳风是如何起源和怎样加速的？太阳风又是怎样得到能量供应的？这几个问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的基本课题。

为了了解这个谜题，我们先来重新认识一下太阳。“万物生长靠太阳”，如果没有太阳，地球上的一切都将化为乌有，所以阳光、空气和水是一切生物存在的必要条件，当然也包括我们人类。

3大气物理研究所是20世纪60年代从中国科学院地球物理研究所分离出来的。

太阳的结构（示意图）

但太阳不但可以给我们光，太阳每天还不停地从日冕4射出超声速等离子体（带电粒子）流，这就是太阳风。

太阳风是一种连续的存在。这种物质虽然与地球上的空气不同，不是由气体的分子组成，而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成，但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称它为太阳风。当然，太阳风的密度与地球上风的密度相比，是非常非常稀薄而微不足道的。一般情况下，在地球附近的行星际空间中，每立方厘米只有几个到几十个粒子。而地球上风的密度则为每立方厘米几千亿亿个分子。

太阳风虽然十分稀薄，但它的猛烈劲却远远胜过地球上的风。在地球上，12级台风的风速是每秒32.5米以上，而太阳风的风速，在地球附近却经常保持在每秒350～450千米，是地球风速的上万倍，有时可达每秒800千米以上。

太阳风有两种：一种在太阳宁静时也会持续不断地辐射出来，速度较小、粒子含量也较少，被称为“持续太阳风”，上述的太阳风就属于这种类型；另一种是在太阳活动5时辐射出来的，速度较大、粒子含量也较多，这种太阳风被称为“扰动太阳风”。当特大太阳耀斑爆发时，粒子的速度可达每秒20000千米的量级，人们称之为“太阳宇宙线”。当它抵达地球时，会严重干扰电离层6，这样就会造成通讯的中断，而这种中断是非常可怕的，会使一些靠指南针和无线电导航

4日冕位于太阳的最外层，属于太阳的外层大气。

5太阳表层各种扰动现象的总称。包括太阳黑子、日珥、光斑、日冕、谱斑的出没和耀斑的爆发等现象。6电离层是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层的内界。由于它影响到无线电波的传播，因此它有非常重要的实际意义。

的飞机、船只一下子变成了“瞎子”和“聋子”。同时还引起很大的磁暴7与强烈的极光等，对地球、对人类的生活都会产生很深刻的影响。例如1989年曾因强烈的耀斑现象而造成地球上大面积停电。

这里，我们最关心的问题是：太阳风是如何形成的？这些带电粒子是怎样克服太阳的巨大引力并达到那么高的速度的？它们是如何得到能量供应的？这些问题对于人类仍然是个谜。

但于我而言，对以下三个现象我进行长期的深刻思考：①组成太阳风的物质是带电粒子——等离子体；②粒子运动的方向与太阳引力的方向相反，而且基本沿着光线传播的方向；③强大的太阳光波始终是粒子流的稳定伴侣。据此，我的思想又回到了1953年最初的原点上，即“光线和空间自由带电粒子之间一定有密切关系”。进而我想到了它们中间一定会具有一种力的作用关系，就是光对空间自由带电粒子有一个斥力的作用，而且这个概念随着之后的研究进一步加强了。

高层大气温度突然上升之谜

当时在地球物理学界又发现了另一个谜题。

地球的大气层垂直结构大致可分为对流层（0km～7至11km）、平流层（7至11km～50km）、中间层（50km～80至85km）、暖层（80至85km～800km）及散逸层（800km～2000km至3000km）。

地球大气层结构（示意图）

在20世纪60年代，依靠卫星探测器，人类首次发现地球的高层大气（也就

7由太阳耀斑引起的地球高层大气的扰动，同时引起地球磁场的强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。

是暖层）的温度会持续升高，而且在白天时最高温度可以达到2500℃。而高层大气是被什么加热的？这个能源是什么？为什么能达到这样的高温？目前还是未解之谜。

大气温度随高度的分布曲线

从上图能清楚地看到随着大气高度的增加，温度有3个拐点，并且在300千米以上会明显地向上递增。

最接近地面的大气层是对流层，它的温度主要靠地球的热辐射，因此随高度的升高而降低，每上升100米，温度下降约0.6℃。

在对流层之上就是平流层。它含有臭氧,具有吸收紫外线功能，保护地球上所有生物的生存和地表免于受阳光中强烈的紫外线致命的侵袭。因为在它内部的臭氧层有吸收太阳辐射的功能，在此层的气温会随高度增加。这是图中的第一个拐点出现的原因。

再往上是中间层。此层主要成分有臭氧、氧、二氧化碳、氮的氧化物。因为臭氧的比例在这一层会迅速减少，温度也会随之降低。所以我们看到图中的曲线出现了第二个拐点。

继续往上是暖层，此时已经离开地球表面八十多千米了（图中的第三个拐点处），既受不到地球自身的热辐射，也没有臭氧来吸收紫外线的能量，但大气的温度又一次上升了，而且随着高度的增加，开始呈现出一条迅速上扬的曲线。

经过科学家的认证，在地球上空300千米以上就没有传统意义上的空气了。那个高度以上大气的电离程度越来越高，以氢原子的电离为主。科学家也完全证实，在300千米以上不会有大气来吸收热量，而且也不会从地面吸收到热量。同时，科学家也证明了在地球中低纬度上空的高层大气也不可能从太阳风那里获得能量。那么这个能量是从哪来的呢？

20世纪60年代由人造地球卫星测得的高层大气温度的昼夜分布数据，使得

这个疑问变得更加扑朔迷离。

高层大气温度的卫星观测值。实线为白天值，虚线为夜间值从上图可以看出高层大气的昼夜温差变化很大。白天温度很高，在下午14

时会达到极大值；晚上又变得比较低，大约在凌晨4点达到最小值，而且基本不

随着高度的变化而变化，近似于一条直线。

这些都是观测得到的数据，也就是说都是实际发生的。为什么会有这么大的

昼夜变化呢？这一定是跟太阳光线有关系的，因为白天有太阳光而夜里没有，这

是我脑海中闪过的第一个念头。所以我就想到，因为地球高层大部分是带电粒子，

假如光线能够对那里的带电粒子产生斥力的话，那就会给粒子一个动力。温度的

升高实际上是表示能量的加大。光的能量传递给了粒子，再通过高层大气粒子间

的碰撞，包括与中性粒子的碰撞，就相互传递了能量，那么必然会使那里的大气

温度升高。这就是给予我启发的第二个重大自然现象。

原始宇宙线起源之谜

第三件给与我启示的自然现象就是“原始宇宙线的起源问题”。

宇宙射线（简称为宇宙线），指的是来自于宇宙中的一种具有相当大的能量，

速度接近于光速的带电粒子。因为它是从太阳系之外的宇宙深处而来，所以也称

为原始宇宙线。

原始宇宙线的穿透能力极强，不仅能穿透整个大气层直达地面，而且还能穿

入很深的湖水中。有人通过实验发现在深达1000米的湖水中仍能观察到宇宙线

所引发的电离现象。这也说明宇宙线具有极高的速度和能量。

目前，一般认为原始宇宙线产生于超新星的爆发过程，但这些粒子由爆炸获得的初始速度是有限的，在这之后一定有一个二次加速的过程来使原始宇宙射线的速度接近光速。根据爱因斯坦的相对论，一切速度都不可能超过光速。但是强大的宇宙射线为什么会如此接近光速呢？曾经有人提出过“宇宙加速器”理论，认为是汇集的磁场使粒子加速。不过，后来一直没由观测到这种磁场的存在。

但是从这里我进一步得到了启发。超新星的特征就是它能发出极强的光，其最大光度是太阳光度的109～1010倍，这种极强的光打到带电粒子上，就可能对这个粒子产生极大的加速作用。

同时，离我们最近的恒星——太阳也会放出太阳宇宙射线，虽然太阳宇宙射线的强度没有原始宇宙线大，但也会达到很高的速度。而太阳宇宙射线和大耀斑的爆发是紧密联系在一起的，只有大耀斑的爆发才会产生太阳宇宙线，而耀斑顾名思义，是会放射出耀眼的光线的。据科学家的观测估算，一次大耀斑的爆发可以在几秒内释放出1032尔格8的能量，即相当于2×1015吨TNT炸药的能量。这又使我加强了“光会对空间自由带电粒子产生斥力，会加速这些带电粒子”的想法。

“斥力论”核心思想的提出

我所提出的“斥力论”讲的是光对空间自由带电粒子具有斥力作用，会加速它们，会供给它们能量。但这个能量的供给并不是指能量的吸收，而是指一种力的作用，是在自然界内提出了一种新的力。

由上一节的叙述可以看出：“斥力论”的由来并不是首先从数学上先推导得出。而是从观测结果到思索，再到观测，再到思索，如此反复，在实践中提炼出这一概念。

在科学研究的方法上，提出一个概念是非常重要的，而更进一步的是要把这个概念付诸实施，要来证明它。因此必须把它定量化，所谓定量就是给出计算这个“斥力”的方法和公式。

8功的单位，国际符号为erg，1尔格=0.0000001焦耳。

两个大胆的假设

想要解释前人不能解释的东西，不能只靠已有的知识来生搬硬套。每一次知识的革新，特别是自然科学上的大发现，都是建立在对于传统观念的突破之上。所以为了把“斥力论”的理论定量化并证实，我在思想上突破了前人的观点，提出了两个大胆的假设。

因为太阳光包含有各种波长的光线比较复杂，所以我首先选择比较简单的单色平面光作为研究对象，并提出了第一个假设。

假设一：按光的电磁波理论9，在平面单色光波电场的作用下的空间自由带电粒子亦作相应的周期运动，但其速度位相始终与该电场的位相接近于一致。

什么叫位相接近一致呢？通俗的说法就是两者同步。比如说一个人在走路，左脚向前迈一步，右脚再向前迈一步就叫做一个周期。在他的左脚向前迈时，通常左臂后摆，右臂前摆，即右臂和左脚同步，也可以说它们同相位。而左臂和左脚刚好相反，也可以说相位相差π。如果手臂每次循环时间和脚循环时间相同，即所谓周期相同。

波是以周期的方式变化的，两个波峰（波谷）之间就是一个周期，即2π。那么π就表示半个周期，π/2就表示1/4个周期。如下图所示：

波的位相示意图

带电粒子受到电磁波的作用也是在振动着的。它振动的位相，按照经典的电动力学来说，一定要比电磁波的电场波动的位相落后π/2。这样粒子受到的洛伦兹力10会相互抵消为零。

919世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出电磁场的理论，预见了电磁波的存在，并提出电磁波传播的速度等于光速，并且提出“光波是一种电磁波”。1888年赫兹用实验验证了电磁波的存在，并测得它传播的速度等于光速，证实了光的电磁波说是正确的。

10运动电荷会受到磁场的作用力，这个力通常叫做洛伦兹力，它为荷兰物理学家H.A.洛伦兹首先提出，故

我提出的假设就是说带电粒子振动的相位是与扰动它的电磁波的电场相位是同步的，并不落后π/2。这样，粒子受到的洛伦兹力就不会被抵消，而会沿着波的传播方向受到一个力的作用。

但这还远远不够，因为太阳光并不是单色光，它含有各种波长的光。从波长很短的X射线，一直到远红外线等等，在这么多不同波长的光的作用下，电子会受到怎样的力呢？

由这个疑问我又做出了第二个假设：几种不同频率的光对空间自由带电粒子的作用力是可以叠加的，或者说光在同一时刻可以表现出电磁波和粒子两种特性。为了清楚起见，我们对此作了更精确的表述。

假设二：按光的粒子性，当几种不同频率的光波，亦即不同能量的光子同时作用于空间自由带电粒子时，其在斥力上的效应，等效于它们分别作用所引起的能量变化的总和。

要解释这个假设，就要先介绍一下“光的波粒二象性”。

光具有粒子性的理论诞生于20世纪初，首先由普朗克提出，再由爱因斯坦推进并完善。两人均因此获得了诺贝尔物理学奖。这一理论的核心既是说：光是由一种称为光子的基本粒子组成，并且以光子的形式在空间传播。但另一些事实表明，光确实又具有波动性。比如在光发生光电效应等现象时体现出粒子性；发生衍射、干涉等现象时又体现出波动性。

我提出的假设中有一点是和前人的理论不相容的。前人的理论认为虽然光具有波粒二象性，但是这两种特性不能在同一时刻出现。在某一时刻只能表现出其中一种特性。

而在我的假设二中，这两种特性可以在同一个时刻出现。在“斥力论”的论文发表的过程中，这一假设多次受到了强有力的反对。我一次又一次地加以解释，因为我认为实践才是检验真理的唯一标准。现在回想起来，还觉得很有趣味。

有关波动性的假设一，使得粒子受到洛伦兹力的作用；而应用粒子性的假设二，使得不同波长的光所施加的洛伦兹力可以直接加和。有了这两条假设的突破，我们就可以以数学为工具，严密地推导出“斥力论”的核心公式11。

得名。

11数学推导过程请参看《斥力论——关于一个基本自然规律的学说》，魏鼎文著，中国水利水电出版社，2004

核心公式介绍

按照以上两条假设，可以推导出光对空间自由带电粒子的斥力公式如下：

如果带电粒子的速度位相与光波的电场位相完全一致时，公式可以简化为：

公式中的各个参数代表的意义如下：

“π”是大家都很熟悉的圆周率。

“e”是元电荷电量，即最小的电荷。通常取e等于4.8×10-10绝对静电系单位12。

“j”是个常数，取决于电离的情况，它可以等于1、2、3、4……。比如j 等于1时带电粒子只带一个元电荷。

“c”是光速，约等于3×108米每秒。

“m”是带电粒子的质量，根据粒子的组成不同而不同，但也是一个常量。

积分部分，是表示对波长λ的积分。其中“Sλ”表示在λ波长处，单位波长间隔内的光强；“ω”代表光波的角频率。因此，公式中只有积分部分是变量，它随光波长的变化而变化；积分前面的部分都是常量。

有两点需要说明：第一，第一个公式中的“Ф”是一个针对第一个假设的修正系数。也就是说带电粒子被激发的速度位相与光波的位相可能并不完全一致时，那么最前面的系数4π就会产生小小的变化。但“Ф”仍然是一个常量，应该可以通过实验测出。下面有关所有计算，系数均取4π。第二，公式计算时所用的单位都是绝对单位。最后积分部分计算得到的单位是克每二次方秒（g/s2）。

根据20世纪70年代得到的太阳观测数据，我算出了在地球轨道处，公式中积分部分的结果是0.6×10-9克每二次方秒。这是一个非常重要的数据，成为之后解释的太阳风等自然现象的重要依据。

需要额外解释的一点是光对空间自由带电粒子的斥力与光的压力是有本质

12绝对静电系单位制简称“静电单位制”，是电磁学中一种以静电力为基础的绝对单位制。它选取长度、质量和时间为基本量。基本单位是厘米、克和秒。

上的区别的。光的压力是和光的吸收、反射、折射等联系在一起的，光压力对所有的粒子都会施加压力。而“斥力论”所定义的光斥力只施加于空间中的带电粒子。同时通过定量计算的比较，光对空间自由带电粒子的斥力，比光施加给该粒子的压力要大几个量级，所以两者间是有本质的区别的。

第二章如何验证“斥力论”的正确性

科学变革必须要有突破，突破传统才能打开思维的“枷锁”。这并不是说传统理念就是不可用的，我们不是要把它彻底推翻，而是在此基础上有所开拓，有所前进。

所以我的思维过程就是这样，要解释太阳风的形成和高层大气的能源是从哪里来的，要解释原始宇宙射线的加速和起源问题，就必须要有突破的思想。按照现有理论的套路走是绝对不行的。读者或许已经看到，在上一章我们就是根据这3个重大未解之谜提供的线索和思考，以及根据自然科学大发现的规律，用突破的思想提出了“斥力论”及其公式。但是它究竟正不正确呢？这需要定量的分析与实践加以验证。这一章就是来介绍如何验证斥力论的正确性。

证明一种理论的两种方法

一个公式、一个定律、一个理论要证明本身的正确性，基本上有两种方式。

一种方式是根据已有的实验结果提出一种理论，这种理论必须要和实验结果相吻合，以此来证明它是正确的。另一种是根据理论提出预测，然后再通过实验来证实。比较而言第二种方式是更为困难和艰苦的，不仅需要开拓的思维和创新能力，还要有能经受质疑与指责的决心。这两种方法对于科学的发展和推动都是不可缺少的。

下面我就来介绍几个以这两种方式来证实理论的例子，其中也有我自己所亲身经历的。

以第一种方式来证明所提出的理论，普朗克的量子理论当属极著名的一例。众所周知，这一理论在自然科学史上具有划时代的意义。以普朗克的黑体辐射公式所算出的理论数值与实验数值完全符合，证实了量子论的正确性。虽然在理论发表的初期还有不少质疑，但随着时间的推移，这一理论就逐渐地被普遍接受了。

而爱因斯坦则是用第二种方式来证明自己的广义相对论的。刚提出这一理论时，还很少有人能够理解。那么他怎么样来证明自己的理论是正确的呢？

爱因斯坦根据自己的理论，作出了一个大胆的预测：遥远的恒星所发出的光线经过太阳表面时会发生弯曲，并预测这个弯曲的度数是1.74弧秒。

要想证明这个预测，必须在日食的时候，因为平时太阳光会掩盖所有其他恒星的光线，只有日食的时候太阳光被挡住，才能观测到其他恒星光。

恰好1919年的5月29日发生了一次日全食。英国皇家天文协会为此专门派出了两支观测队，他们分别出发，一个前往巴西的索布拉尔，另一个来到西非西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛，都是为了验证爱因斯坦的预言。最终，一个小组测量的弯曲度数是1.63弧秒，另一个小组测量的是1.98弧秒，这两个值的平均数和爱因斯坦给出的预测值是非常近的。

于是爱因斯坦的广义相对论通过这次观测得到了有力的证据。这一发现随后被全球报纸竞相报导，一时间使爱因斯坦的理论名声赫赫。可以肯定，广义相对论之后能逐步被普遍接受，这次预言的观测证实具有基石性的重大意义。

下面再举两个我亲身经历的，使用这两种方法来证明我所提出的理论的事例。

我亲身经历的两次“完美逆转”

第一件，挑战世界级权威，感谢叶笃正院士的培养和帮助

第一件，是关于大气臭氧层垂直分布的遥感研究。

从1956年开始，我就迷上了测量大气臭氧层垂直分布的工作。在这之前有科研人员在用一种仪器来测量天顶紫外散射光13的时候发现了一种奇特的现象。

两条不同波长的光，波长较短容易被臭氧层吸收的设为λ1，波长较长不容

易被臭氧层吸收的设为λ2。它们的光强度分别表示为I

λ1和I

λ2

。这两种光的光

强度比值I

λ1/I

λ2

是可以用仪器测量的。在观测中发现，开始时随着太阳慢慢落

山，这个比值是逐渐下降的。然后突然在太阳快要落山的某个位置，这个比值突然反转了，也就是说它不但不下降，反而上升了，而且上升得非常快。

这个现象最初是由一个叫戈兹（G?tz）的外国人观测到的，他给这个现象起名叫“逆转效应”。并做出了解释：在太阳位置降低到某个位置的时候，被吸收13由观测者正上方，整个大气柱内大气分子所散射向下的光。

较厉害的光线（即I

λ1）主要来自臭氧层之上，因而在地面测量I

λ1

的减弱就会迅

速变慢，而另外一条相对吸收较弱的光线（即I

λ2

）减弱的速度仍是越来越快。这样就解释了为什么这个比值会逆转。因此“逆转效应”就和臭氧层的高度联系起来了，并且可以用来从地面遥测大气臭氧层垂直分布的基本状态。

1957年，“国际地球物理年”委员会就颁布了两种方法，一个是方法A，一个是方法B。利用这个“逆转效应”从地面遥测臭氧层的垂直分布。其中方法B 是印度一位著名的大气物理学家和数学家拉玛纳山（Ramanathan,K.R.）提出的，当时他提出的方法B是一篇大论文，并被认为是权威的，并且发表在《国际地球物理年年鉴》上。然后这一方法又被“国际地球物理年”委员会推荐给全球的臭氧观测站，作为国际通用的方法。所以这一方法成为了世界级的权威方法。

从1956年开始，我对“逆转效应”或“逆转曲线”进行了将近6年艰苦的研究和探索。在这个过程中，我发现前辈们虽然在这个问题上作出重大贡献，但他们却忽视了一个根本性的重要因素。即在“逆转曲线”形成过程中，在不同的

太阳天顶角观测I

λ1/I

λ2

所提供的关于臭氧层垂直分布的信息量，在空间是如何

分布的？它又是如何变化的？通过不断地思考，通过严密地数学分析和繁复的计算，最终得到了几个带有基础性的重要发现。其中之一就是：“逆转曲线”所提供的，关于大气臭氧层垂直分布的独立信息量是很有限的，不能用它来测出臭氧层比较精细的垂直分布结构。

再回过头来看Ramanathan的方法B，它是把大气臭氧层分为10层，想通过较多的分层来测出臭氧层较精细的垂直分布结构。但这与我的理论是相悖的，因为独立信息量很有限，其得出的结果一定是不唯一的，是不能用的。该方法应当被推翻，应当被废弃。

在1962年初，我以这篇论文参加了提职考试（由研究实习员提到助理研究员，相当于大学里的助教提为讲师），但当我报告完论文开始答辩的时候，当场一片哗然，都是反对的声音。有的人说：“你这不行。”还有的人背后说：“这个家伙太狂妄。”其中还有权威人士加以反对，结果我的论文不予通过。在当时说我不失望，那是假话，但我依旧坚持自己的观点，并找到了当时研究室的主任叶笃正院士（叶院士是国际上最著名的大气科学家之一，是2005年度国家最高科学技术奖的获得者）。他很认真地听我讲了自己的观点，觉得其中很有道理，并且有创新。但叶老师是一个严谨治学的人，他希望我能再通过严谨的计算来检验

一遍。他说：“我分给你一个人，让他帮你专门作计算，把你的数据重新算一遍。同时你要把Ramanathan的原始‘逆转曲线’数据也算一遍，你要是能得出和他完全不同的臭氧层垂直分布，那就证明他的结果真的不唯一了，我就给你推荐。”因为当时虽然有了手摇式的计算器，但大量的数据还是靠人来计算，所以叶主任分给我的助手也帮了我很大的忙。

过了几个月，计算完成了。重新计算的结果是我在论文中的结论完全正确。叶老师立刻帮我推荐，我的论文也得以在1962年的地球物理学报上发表和1963年的《中国科学》英文版上发表。

现在看起来，一个二十几岁的小伙子竟然敢在这么权威的刊物上公开地点名地反对国际权威，也许会让很多人都觉得不可思议。在当时，除了叶老师，似乎没有多少人支持我的观点。

不过时间自会证明。很快，在加拿大有一个叫麦迪尔（Meteer,C.L.）的人于1964年发表了他的博士论文，支持和证实了我的理论。而且Ramanathan的方法B在1964年之后就被淘汰了，而代之以新的方法。至此我的理论和结果完全得到承认和证实。现在回想起来我仍然非常感谢叶老师，他同样也冒着挑战权威的风险来支持我，真的很了不起。

我在论文中提出的几个重要结果也为20世纪70年代以后才发展起来的大气“反演遥感”奠定了很重要的基础。所谓“反演遥感”，通俗地说，就是由高空的卫星接收大气发射出的红外线或电磁波，通过分析波的各种变化来反推出大气温度、湿度及微量成分的空间分布等。现在这种技术已经广为普及，并且成为一个重要的科学分支。

依据实验观测的事实来提出新的理论，并能经受实践的验证。所以，对于我的这一理论的证实过程，有第一种方式，也有第二种方式。从1956年到1962年的六年间，我把所有精力都投在了这项研究上。所以要提出与经典理念相悖的新理论是非常不容易的。因为上述研究的成功，我也得到一份回报——获得了1978年由中国科学大会颁发的重大科学成果奖；20世纪80年代中期我也因为该项工作顺利地当选了国际臭氧委员会委员，并干满了两届。

第二件，对南极臭氧空洞成因的研究，挑战诸多国际级权威

1985年，根据在南极地区的观测，发现了南极地区的臭氧层空洞。这一发现立刻引起了世界各国的极大关注，这是因为臭氧层对于地球上的生物而言就像是抵抗太阳紫外线辐射的防护衣一样。经科学家研究，大气中的臭氧每减少1%，照射到地面的紫外线就增加2%，人类患皮肤癌的几率就增加3%，同时还更易受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击。

于是大家就在想这个臭氧空洞是怎么形成的呢？

当时的主流声音认为是人类大量使用氟利昂等氯氟烷烃化学物质（如制冷剂、发泡剂、清洗剂等）造成的。因为这类物质在大气对流层中不易分解，当它们进入大气平流层后受到强烈紫外线照射，就会分解产生氯离子同臭氧发生化学反应，使臭氧浓度减少，从而造成臭氧层的破坏，于是就形成了南极臭氧空洞。我把这种对臭氧空洞成因的解释称为“人为说”。

这种说法当时全世界都认同，还因此开了很多次国际会议，并于1987年在世界范围内签订了限量生产和使用氯氟烷烃等物质的蒙特利尔协定。

1987年时我正在美国国家气象中心做访问教授。当时我就对这种解释产生了怀疑，最大的一个理由就是对氟利昂等等这些化学物质使用和生产大都在北半球进行，为什么对北半球的臭氧层没有多大影响，而空洞却出现在了距离最远的南极？正好当时美国的国家气象中心有大量的卫星资料，怀着这个疑问我用这些资料来做了分析，没想到得出了一个非常出人意料的结果。

我发现大气臭氧总量和太阳的11年的活动周期有非常大的关系，这种关系表现最明显的地方正是高纬度地区，也就是极区。

如果说是因为人类活动的影响，臭氧减少应当是中低纬地区表现明显。而结果却恰恰相反，是高纬地区表现明显。而且，按照“人为说”的观点来分析，南极臭氧空洞出现在夏季的机会较大，而不应该出现在春季（南极的春季是8—11月份）。所以这两个反常使我更加确信臭氧空洞的出现，很可能是太阳活动带来的自然现象。

有人曾经研究和观测发现，打雷时附近地面的臭氧含量会急剧增加。因为强大的电流会使空气电离，而空气中自由带电粒子的增加会产生更多的臭氧。那么太阳活动时辐射出的大量带电粒子到达地球，对大气也会有相似的影响，而且太

阳辐射出的带电微粒是随着地球的磁场往地球两极流动的，因此也可以理解为什么对地球两级的影响最大。由此，我建立了南极臭氧空洞变化的物理模型（我称之为“自然说”），并大胆地预测了该洞具有准11年的变化周期。定量地说，我预测该洞在1991年至1992年会变浅、变小，并达到极值，而后又逐年变深、变大，在1997年至1999年期间达到极值，然后再变小、变浅。

于是在1988年到1989年间，我把自己的这一研究结果写成了《论南极臭氧空洞的形成及其演变趋势预测》一文，并于1990年发表在我国自然科学基础理论研究领域里最具权威性的学术刊物《中国科学》（中、英文）上。在当时，这是第一份反对臭氧洞的形成是由于氟利昂等等制冷剂的原因导致的文章。这是对国际臭氧学界，也包括化学界中一些大人物的挑战。当然，论文发表后立刻遭来很大非议。

1989年，在伦敦召开的保护臭氧层国际大会上，国家派去的中国代表团由总后勤部副部长刘明璞中将带队，我作为该团的科学顾问一同前往。在会议上，我散发了这篇论文的摘要。当时一片声音都是反对，而且各个国家都相继签署了《保护臭氧层维也纳公约》，开始控制氯氟烷烃化学物的使用，比如现在的冰箱已经不使用氟利昂做制冷剂了。

直到现在（2012年）已经二十多年过去了，太阳也经历了两个活动周期。那么南极臭氧空洞的变化如何呢？是否与我的预测相符呢？下面这幅图能很好的说明。

1990年到2008年每年10月份臭氧含量随时间的变化图

这幅图是一位加拿大教授，用卫星观测的南极上空臭氧含量数据绘制出的，