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争鸣 | 王中林书面回应学界对 “拓展麦克斯韦方程组” 的质疑

1月13日下午,中国科学院北京纳米能源与系统研究所发布两项重磅科研进展,称中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长与首席科学家、中科院外籍院士王中林经过数年研究和实验验证,对麦克斯韦方程组进行了成功拓展。

1月17日,《知识分子》头条发表了《热议 | 王中林院士 “拓展麦克斯韦方程组”,学界怎么看?》一文。针对文中提及的主要质疑,同日我们也收到了王中林院士的独家回复。《知识分子》原文刊登他的书面回应如下。

 

专家质疑一:

运动介质的电动力学就是爱因斯坦117年前想要解决的问题,关于这个问题的思考和研究导致了物理学史上最伟大的发现之一,狭义相对论的诞生。但这个问题已经被爱因斯坦彻底解决了,关于运动介质的电动力学也早就写入了教科书。

王中林回应:

相对论是伟大的理论。而我们提出的拓展式麦克斯韦方程组和狭义相对论不矛盾。狭义相对论是描述在A参考系中发生的一个电磁现象被在处于A参考系和运动中的B参考系中的两个不同人同时观察所带来的不同观察结果,即一个电磁现象两个观察者。在这种情况下,麦克斯韦方程组在两个坐标系的表达形式是不变的。然而,拓展型麦克斯韦方程组描述的是发生在A参考系和运动中的B参考系中的两个不同且可能有关联的电磁现象被处于A参考系中的同一个人观察所的到的结果,即两个有关联的电磁现象一个观察者 ,并且假设介质运动的速度远小于光速。原文中图7把这个区别讲得非常清楚。Landau和Lifshitz的书中讨论的是狭义相对论下的情况,而我们讨论的是后者的情况。在我们文章第4页,公式(14a)前面一段话中,我们明确了边界条件和假设,对远低于光速下的运动物体,可以运用伽利略变换对方程组进行了处理。此时,可能处理后的方程组不具有协变性,但不影响我们所要研究的具体对象和在工程中的应用,因为我们不是严格讨论场论理论的。[1]

 

[1] Zhong Lin Wang “ On the expanded Maxwell’s equations for moving charged media system – general theory, mathematical solutions and applications in TENG”, Materials Today; https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.027 

 

专家质疑二:

他的方程只是将电位移矢量分成了两个部分,时间偏微分变成全微商,只是将参考系放到运动流体元上的一个自然结果,不需要证明,没有什么理论贡献。 

王中林回应:

在过去的十年间我们在大力发展利用摩擦起电效应来把机械功转为电功,即摩擦纳米发电机 (TENG)。我们当初的想法式通过位移电流的研究来建立定量计算TENG 的输出功率。后来受文献的启发,我们就开始探讨动态介质的电动力学问题。目前教课书上给出的麦克斯韦方程组适合于静态的介质,而这个假设一般不提,因此大量的学生就认为麦克斯韦方程组式是在任何条件下绝对成立的。我们写这个文章的目的是利用该方程组研究动态介质中的问题,而且给出了相应的数学解的方法,希望在应用和工程方面发展出新的探测技术或更精确探测方法。当然我们的理论都是假定介质运动的速度远远低于光速。这在工程应用中是没有问题的。

朗道先生的连续介质力学--运动介电体的电动力学一节中,对 “介质的运动导致电场和磁场相互作用现象的产生”进行了研究。正如书中所描述的“§63的出发点是从一个参考系到另一个参考系转换时的场变换公式”,且“介电体中这一问题要复杂的多…在宏观物体运动中通常涉及的速度比光速小的多。然而,根据速度都正确的相对论公式来得到相应的近似变换公式要简单的多。”…… 可以明确看到,书中的推导是基于相对论下的变形处理,是一种严格的处理。

但是,我们是根据具体研究对象,进行的远低于光速下的非相对论处理。伽利略变换和洛伦兹变换在低速下的结果是类似的,文章中更在乎方程组的应用性和实用性,比如,在文章后面给出了不同的解法。如果进行的是相对论处理,则需要用相当多的物理量,方程将非常复杂,而计算结果可能和文章中的处理方式得到的结果比较相近。另:文章引用了闵可夫斯基、赫兹、Gluckman, Rozov, Tai, Costen等人的多篇文献,请见文中的参考文献16-26。

 

专家质疑三:

论文本身在推导中存在问题。具体来说,从王文的那张漫画宣传图说起,图左边的方程1和4是可以从阿贝尔Yang-Mills作用量相应的运动方程得到的,跟物质场(包括带电粒子和介质)的耦合都在这两个方程中。而方程2和3是恒等式,不是从Yang-Mills方程得到的,而是任何规范理论,包括非阿贝尔Yang-Mills理论,都要满足的拓扑约束,称为Bianchi恒等式。要修改方程2和3,只能是拓扑客体,在电磁理论中是磁单极和它的流。王院士的拓展,显然不是磁单极。

王中林回应:

我们的讨论是非相对论的处理,不涉及磁单级的问题。

 

专家质疑四:

为什这么重要的工作不去物理的杂志发表?而是选择在材料学的相关期刊?

王中林回应:

在过去的十年间我们在大力发展利用位移电流来研究摩擦纳米发电机的输出特性和功率。从2016年到现在我们一直在做这方面的研究,相关工作都发表在应用物理和材料相关的期刊上 [2-4]。我们写这个文章的目的是系统介绍扩展的麦克斯韦方程组及其物理概念,希望利用该方程组研究动态介质中的问题,而且给出了相应的数学解的方法。我们的目的不是发展相关的场论理论,而是希望在应用和工程方面发展出新的探测技术或更精确探测方法。我们也希望通过这些工作唤起大家在这方面的兴趣,探讨新的应用。

 

[2] Z.L. Wang and A.C. Wang “On the origin of contact electrification“ (Review), Materials Today, 30 (2019) 34-51; https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.05.016 [3] Z.L. Wang “From conctact electrication to triboelectric nanogenerators“ (Review), Report on Progress in Physics, 84 (2021) 096502; https://doi.org/10.1088/1361-6633/ac0a50

[4] Jiajia Shao, Morten Willatzen*, and Zhong Lin Wang* “Theoretical modelling of triboelectric nanogenerators (TENGs)” (Review), J. Applied Physics, 128 (2020) 111101; https://doi.org/10.1063/5.0020961

 



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