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20 世纪30年代末，为了解释多种多样的太阳活动现象与磁场的关系，一批磁流体力学的探索者出现了，阿尔文是其中之一。阿尔文从天文现象寻找到新的物理规律，并把这一理论用来解释复杂的天文现象，成为太阳和宇宙磁流体力学的奠基人。磁流体力学首先在天体物理研究中得到完善和发展，后来在受控热核聚变的磁约束以及一些工业新技术中也有重要的应用。
阿尔文（图3-10）1908年5月30日生于瑞典，1926年进入乌普萨拉大学，1934年获博士学位，1940年起任斯德哥尔摩皇家理工学院等离子体物理教授，1967年起兼在美国加利福尼亚大学（简称加州大学）圣迭戈分校执教。1948年阿尔文出版《宇宙动力学》，1963年又出版专著《宇宙电动力学》，总结了磁流体力学的基本原理及其在天体物理学中的应用。1970年，阿尔文获诺贝尔物理学奖。1976年，他把主要的研究成果总结在与阿雷纽斯（Gustaf Arrhenius）合著的《太阳系的演化》一书中。1991年退休，退休后来往于加利福尼亚州和瑞典之间。1995年逝世，终年87岁。
当阿尔文还是博士研究生的时候，就创立了一个关于宇宙辐射起源的理论。1937年在这个基础上他提出“银河系的星际空间到处存在磁场”的假说。在那时，人们并未观测到，也不认为银河系到处都有磁场。这一假说一直受到冷落。20世纪40年代天文学家才发现银河系存在磁场的迹象，到60年代测出银河系磁场的分布之后，才证实了阿尔文的假说的正确性。
磁场在宇宙中是普遍存在的，地球、太阳、恒星、星系都有磁场，就连物质特别稀少的星际空间、星系际空间也有磁场。地球的磁感应强度很弱，只有0.5G。太阳的平均磁场约为2G，太阳黑子区域的磁场高达几百至几千高斯。有些恒星磁场很强，可达几千乃至几万高斯，白矮星的磁场达到10 5 —10 7 G。宇宙中磁场最强要算中子星，达到了10 8 —10 14 G 。相比之下，银河系星际空间的磁场仅有10 -6 G。
阿尔文在提出银河系中处处有磁场的假设后不久，又提出星际空间充满着等离子体。物质的等离子体状态是在温度非常高的情况下出现的，核外的电子因获得足够的能量摆脱原子核的束缚成为自由电子。原子变成自由电子和正离子的过程称为电离。太阳和恒星的温度很高，足以使气体完全电离或部分电离而形成等离子体。因此中性的原子气体变成了自由电子、正离子和中性粒子所组成的混合气体，称为等离子体，这种状态被称为物质的第四态。因正负电荷密度几乎相等，故从整体看等离子体呈现电中性。天体物理学和空间物理学的研究对象中，都涉及等离子体。
图3-10 瑞典天文学家阿尔文
太阳大气是炽热的气体，应遵循流体力学规律。但是，太阳大气又是由自由电子、正离子和中性原子组成的等离子体，而且又处在磁场之中，当然要遵从电动力学的规律。等离子体在电磁场里运动时会产生电流。电流与磁场相互作用，产生洛伦兹力，从而改变流体的运动，同时电流又导致电磁场发生改变。单独的流体力学或电动力学都不能用来研究太阳大气，磁流体力学这门新学科应运而生。1940—1948年，阿尔文提出带电粒子在磁场中运动的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波（即阿尔文波）和太阳黑子理论，在此基础上创建了太阳磁流体力学。由于太阳磁流体力学有关规律也可以用来研究其他恒星以及所有等离子体与磁场并存的天体，因此这一学科又被称为宇宙磁流体力学。
部分电离或完全电离的气体，在某些方面跟中性气体有相似之处，如描述气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用。但是，它的主要性质却发生了本质的变化，电离气体的行为主要受电磁力的支配。实际上，太阳等离子体中虽然有很多自由电子和正离子，但是正电荷和负电荷处处相等，处于电中性状态，因此不需要考虑电力的作用，而只要考虑磁力也就是洛伦兹力的作用。
荷兰物理学家洛伦兹（Handrik Lorentz）首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作用力的观点。后来这一观点也被实验证明，为纪念他，人们称这种力为洛伦兹力。洛伦兹力的大小正比于磁感应强度、电流密度以及磁场和电流所夹的角度 θ 的正弦，力的方向既垂直于磁场，又垂直于速度方向。洛伦兹力不改变电荷运动的速度，仅仅改变速度的方向，使带电粒子作匀速圆周运动。当带电粒子的运动方向与磁力线不垂直时，其速度可分解为一个与磁场垂直的分量和一个与磁场平行的分量。带电粒子沿磁场方向的运动不受洛伦兹力的影响，而垂直磁场方向做圆周运动，因此带电粒子在磁场中的运动是螺旋轨道（图3-11）。螺旋的轴线称为引导中心。螺旋轨道的半径与带电粒子的质量成正比，正离子比电子的质量大得多，因此正离子的回旋半径大，距磁力线要远；而电子则以很小的回旋半径绕磁力线前进。
阿尔文把带电粒子在磁场中围绕“引导中心”的运动方式发展为一种工具，成为等离子体物理研究的重要方法。他应用这种近似方法研究地球磁场和极光现象，得出地磁场中存在环流的新结果。由于这一结果与当时流行的看法不一致，未能得到同行的认可，但后来的研究却表明环流的确是地磁球壳结构的一个重要特征。
图3-11 带电粒子的运动方向与磁力线不垂直时的运动轨迹，
θ
是磁场B和电流所夹的角度，
v
是带电粒子的速度。在磁场的作用下，带电粒子的运动轨迹呈螺旋线向前运动
宇宙中既有等离子体又有磁场，磁场的变化就具有新的特点。1942年，阿尔文发现等离子体在磁场中运动的一个新现象——磁冻结。他首次提出：“理想导电流体不能作垂直于磁力线的相对流动，因此流体物质固结在磁力线上。”
从物理实验中可以知道，当电流流过螺线管后会产生磁场。在断开电源后，磁场会很快地消失。如果在螺线管中放着电导率很高的物质，磁场衰减就很慢。这种现象称为磁场的扩散。磁场扩散的快慢与介质的电导率有关，还与电流流动区域的尺度密切相关。地球上的实验与天体物理过程中的磁扩散很不相同。计算给出，一个半径为1m的铜球的磁场衰减时间是10 s。太阳的普遍磁场通过扩散消逝所需的时间非常长，达到10 10 年，比太阳的年龄还要长。因此有的学者认为，太阳形成初期所集聚的磁场到今天大部分都还没有扩散出太阳。基于这样的分析，有天文学家认为目前观测到的恒星磁场以及更大尺度的星系磁场都保持着它们形成初期的位形，就好像化石一样。
在磁场扩散几乎为零的情况下，磁冻结现象发生了。这时，等离子体在磁场中必然带着磁力线一起运动，相当于磁力线冻结在物质里面了，或者说等离子体粘连在磁力线上了。等离子体带着磁力线一起运动，导致磁场的变化，这个过程称为对流。对流过程能使磁场增加，也能使磁场减小，而磁场的扩散只会导致磁场衰减。
判断是否发生磁冻结的参数是磁雷诺数，由磁扩散的特征时间与磁对流特征时间的比值来定义，即 R m = t 扩散 / t 对流 。当 R m ≫1时，磁扩散过程的特征时间比磁对流过程特征时间长得多，磁对流过程起主要作用，这时的磁场是和等离子体冻结在一起的。天体物理的研究对象，如太阳黑子、太阳及银河系等，它们的几何尺度非常大，总满足 R m ≫1的条件，因此天体物理研究中的等离子体基本上是和磁场冻结在一起的。
虽然太阳的对流层、光球、色球和日冕都符合磁冻结的条件，但是在对流层电磁力相比其他力要小很多，可以忽略，磁场被等离子体推来推去，随波逐流。在光球，磁压和其他力的大小相当，而在色球和日冕中，磁压相对较强，变得起主导作用，等离子体被磁场所控制。
1942年，阿尔文在研究太阳黑子磁场的过程中发现了磁流体力学波。 R m ≫1时，等离子体和磁场冻结在一起，这时磁力线存在着张力，就像一根紧绷的绳子。力学原理和实际经验告诉我们，弹拨乐器的弦线，在外力的作用下，会发生振动，产生沿弦线方向传播的横波。黏附着等离子体的磁力线也像一根弦线一样，当在垂直磁力线方向上受到扰动后，也会产生一种横波，也就是阿尔文波。根据阿尔文的推导，阿尔文波的速度与频率及振幅无关，仅是磁感应强度（ B ）和密度（ ρ ）的函数。阿尔文波的速度为
磁场越强，密度越小，阿尔文波的速度就越大。
从流体力学理论可以知道，一般的理想流体中是没有横波的。因此在那时几乎所有物理学家都不相信阿尔文波的存在。直到1948年阿尔文到芝加哥大学做学术报告，再一次谈他的磁流体力学波，终于说服了物理学界的权威学者费米（Enrico Fermi），阿尔文波才为世人所承认。当然，最重要的还是1949年隆德奎斯特（S. Lundquist）所进行的实验。隆德奎斯特用水银做实验，磁场是1000 G，结果得到了速度约为75 cm/s的阿尔文波。之后科学家不断在实验室和外层大气中获得阿尔文波，印证了这个理论的正确性。
在磁流体力学中，声波受磁场的影响分解为快磁声波和慢磁声波两种，快磁声波的相速比阿尔文波速快，而慢磁声波的相速则比阿尔文波速慢。这三种波统称磁流体力学波。
20世纪40年代中叶，磁流体力学的基本理论体系大致构成。磁流体力学波的提出成为磁流体力学成熟的标志性事件。从那以后，磁流体力学发挥了巨大的理论威力，成功地解释了发生在太阳上的一个又一个观测现象，成为探索太阳规律的支柱理论之一，形成新的太阳磁流体力学研究方向。磁流体力学在宇宙中其他天体中的应用，便形成了宇宙磁流体力学。
随着太阳观测的逐步深入，发现了大量的太阳活动现象，按照当时公认的理论知识很难加以解释。例如：太阳黑子的温度偏低，但磁场却非常强；黑子群倾向于成对地出现；太阳黑子有11年的变化周期；色球和日冕的温度比光球还要高；太阳耀斑爆发释放出巨大的能量和高能粒子，等等。磁流体力学对这些现象给出了科学解释。
早在1942年，阿尔文就用阿尔文波来解释太阳黑子的形成和它们的11年周期性变化，并逐渐发展成为系统的太阳黑子理论。黑子的温度为什么比周围的光球要低很多？天文学家认为黑子的低温与强磁场有关。黑子是光球上的活动现象，它们的根基却在光球之下的对流层。对流层的底部连接着辐射层，温度很高，顶部连接着温度很低的光球，这样底层的高温物质团就会不断地上升，顶层的比较冷的物质团会下沉，形成对流。光球表面观测到的米粒组织就是这种对流的物质团。黑子磁场比周围地区要强很多，发生磁冻结现象，因此在对流层中物质团的对流很容易激发出阿尔文波。阿尔文波沿磁场传播把能量带走，导致黑子内部温度下降。还有一种解释是认为黑子的强磁场会抑制对流活动，导致对流层底部热的物质团不容易达到磁力线与光球表面相交的黑子区域，能量来不了，温度上不去，导致黑子的温度比周围要低很多。这两种解释都属于磁流体力学的过程，究竟哪一种解释正确，还需要进一步研究。
磁流体力学湍流与宇宙中磁场的产生和维持有很大关系。湍流是等离子体的无规则运动，会把磁力线拉伸而使磁场增强。在20世纪60年代中叶，湍流发电机理论开始应用于解释太阳磁场的变化，主要解决小尺度磁场的建立和维持。小尺度磁场的涨落会对大尺度磁场做出贡献，从而形成太阳磁场的周期性变化。
从古至今，已有几十种太阳系起源的学说。主要有两类，一类认为太阳系是由同一块星云物质凝聚而成的，另一类则认为太阳系是在一次突然的灾变中产生的，如两颗或三颗恒星的碰撞等事件。20世纪后，星云说占上风。1942年以后阿尔文发表了一系列论文阐明他的太阳系演化学说，并在1964年和1976年出版专著《太阳系的起源》和《太阳系的演化》。
阿尔文的太阳系起源学说的要点是：太阳及其行星系统都是由高度电离的气体云形成的。高度电离的气体云具有磁场，中心部分形成太阳，并具有比气体云强得多的磁场。由于星际磁场和电离云自身磁场的作用，使电离云维持在太阳附近约0.1 ly的距离内。后来由于冷却慢慢地还原为中性气体，中性原子不再受磁场约束，在太阳引力作用下不断地向太阳下落。中性气体在下落的过程中，引力势能转变为动能，温度逐步升高而再度电离。气体云中有不同的元素，每种元素的电离电位不同，电离电位低的元素先被电离形成电离云。电离云受磁场的约束而停止向太阳下降。电离电位比较高的元素将在离太阳比较近的地方电离，最后由四种元素组成的气体云在离太阳不同的距离上停留下来，形成四个电离云。太阳系中的八大行星及其卫星都是由这四个电离云中的物质凝聚而成的。行星系统的卫星形成过程与形成行星的过程类似。
阿尔文的学说强调了太阳系形成中电磁力的作用。这一学说还可以很好地解释太阳系角动量的分布问题。太阳形成后具有比较强的偶极磁场，可以一直延伸到附近的四块电离云中。太阳在自转，磁力线自然也跟着一起转动。由于电离云中的物质不能跨过磁力线，只能跟着磁力线一起运动。太阳自转也把附近的四块电离云带着一起转动，电离云由此获得角动量。在这个过程中，太阳通过“磁耦合机制”把角动量转移给电离云，自转速度逐步减慢。阿尔文的太阳系形成模型并没有流行起来。
对于宇宙的形成和演化，阿尔文提出与流行的大爆炸宇宙学说不同的等离子体宇宙演化学说。1961年阿尔文和克莱因（Oscar Klein）首次提出等离子体宇宙模型。他们相信现在的宇宙正处在膨胀之中，但不像大爆炸宇宙学所预期的那么激烈，而且宇宙也不像大爆炸宇宙学认为的那样是从一个极高温、极高密状态的火球爆炸后演化出来的。他们认为，现在的宇宙经历了一个漫长的先收缩后膨胀的过程。最初的宇宙是一个直径约为10 12 ly的巨大球体，该球体内充满着密度极其稀薄的、分布均匀的粒子和反粒子，稀薄到每100m 3 的容积内只有一个粒子或一个反粒子。粒子之间彼此分离很远，基本不可能发生碰撞。在引力起作用后，巨大球体开始收缩，球的半径逐步缩小，粒子与反粒子越靠越近。正、反粒子碰撞发生湮灭，释放出能量。当正、反粒子发生湮灭所释放的能量足以抵抗引力的作用时，巨大球体就停止收缩，转为膨胀。膨胀开始时是急剧的，但逐渐慢了下来。
在阿尔文等人提出等离子体宇宙学的时候，反粒子的概念和实验都比较新，这个模型自然存在不少不足之处。天文观测表明宇宙中物质的成群、成团性比以前估计的还要突出，这是他们的模型无法解释的。为此，阿尔文进一步完善他们的模型，把在磁流体力学实验中发现的“等离子体绳索”应用到宇宙模型中。
在研究磁场对等离子体的影响时，阿尔文发现等离子体能够携带电流。这个电流和其他电流一样，在其周围也产生磁场，导致等离子体、电流和磁场缠绕在一起，使电流沿磁力线流动。阿尔文形象地称之为“等离子体细束”，也有人称之为“等离子体绳索”。在实验室进行的极光和磁暴现象模拟实验中曾经观察到这种现象。天文观测发现的日珥中长达几十万千米的暗条和银河系中心发射出来的长达120 ly的纤维状物质都是“等离子体细束”。阿尔文相信这种“等离子体细束”会不断生长达到几十、几百万光年长。最后“等离子体细束”断裂为超星系团大小的等离子体云。这些云中的“等离子体细束”又断裂为星系大小的团块，最终形成星系和星系团。由等离子体细束形成的星系仍保留当时等离子体的高速运动，因而导致星系具有比较高的本动（哈勃定律无法消除的退行速度）。
在阿尔文工作的基础上，等离子体物理学家勒纳（Eric Lerner）、彼得斯（Michael W. Peters）和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的佩拉特（Anthony Peratt）等人就宇宙微波背景辐射、轻元素的生成及星系的形成和演化等方面发展了阿尔文的宇宙演化模型。
当然，物质与反物质的分布和隔离问题仍是阿尔文模型的困难之一。1932年安德森（Carl David Anderson）发现正电子，证明了反粒子的存在。1955年，加州大学伯克利分校的塞格雷（Emilio Segrè）和张伯伦（Owen Chamberlain）通过质子对撞证实反质子的存在。1995年，在欧洲核子研究中心的低能反质子环产生出了反氢原子。这些实验证明了反物质真实存在且可以在实验室中生成。但是粒子和反粒子问题，特别是寻找反粒子至今仍是一个未完全解决的科学问题。阿尔文的宇宙模型以及太阳系形成模型虽然没有得到公认，但也是有意义的探索，还是有进一步发展前景的。