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华人怎么看?争鸣 | 王中林院士 “拓展麦克斯韦方程组”,学界怎么看?

争鸣 | 王中林院士 “拓展麦克斯韦方程组”,学界怎么看?

Original 知识分子 知识分子 2022-01-17 19:18

  1.17

知识分子

The Intellectual


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院士跨界发表重大成果,学界怎么看?| 图源:pixabay.com


编 者 按

物理学经典 “麦克斯韦方程式” 在100多年后获得了拓展?近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所召开的一场 “重要原创成果发布会” 引发争议。围绕着该所所长、中科院外籍院士王中林在去年发表的一篇论文,物理学界数位学者指出了三点疑问,《知识分子》梳理争议细节并整理发布。此外,《知识分子》也收到了王中林独家书面回应,公众号同日发表质疑与回应两篇文章,给科学一个争鸣的空间。真理越辩越明。


撰文 | 知识分子


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院士跨界发表重大成果事件


中学时期,我们都做过这样的实验:让一个磁铁通过线圈,线圈会产生电流。这是最基础的电磁学,它研究的是电和磁之间的相互作用。如果说电磁学是一座大厦,那么麦克斯韦方程组就是它的地基。这个诞生于19世纪60年代的方程组由四个方程式组成,分别描述了静电、静磁、电生磁、磁生电的定律。


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图1 麦克斯韦方程组 | 图源[1]


而近日,一项由中国科学院外籍院士王中林领衔的研究引起国内媒体关注。这项研究称拓展了麦克斯韦方程组的应用范围,相关报道[2]称其“奠定了运动介质电动力学的理论基础”,被称为 “中国科研机构对经典物理学基础理论创新作出的一次重要贡献”,且有 “巨大的潜在应用场景”。


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Image 向左滑动查看

组图2 发布会邀请了中央广播电视总台、人民日报、中国日报、中国科学报、北京日报、北京广播电视台等多家媒体进行了现场报道[2]


这项研究于2021年10月发表 [3] 在国际学术期刊 Materials Today。2022年1月13日下午,中国科学院北京纳米能源与系统研究所召开发布会 [2],邀请多家政府单位和官方媒体出席,称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。王中林是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。


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图3 论文截图|文献[3]


然而,该新闻甫一发布就遭到了多方质疑。


社交平台知乎上一则有关 “如何评价王中林院士拓展麦克斯韦方程组?对物理学理论有多大价值?” 话题下涌现出众多质疑声音,其中获得最高赞的一个回答明确给出结论:扩展的结果有明显错误。


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图4 该论文在社交平台获得热议|网页截图


针对该论文的争议,《知识分子》联系到的数位物理学领域专业人士大体给出两种评价:一些人指出,麦克斯韦方程组在运动介质中的应用情况,学界早有定论,该成果并非奠基式的 “重要成果”;也有人指出,论文中的推导有误,得出的结论并不可靠。


此外,引发争议的还涉及发表该论文的 Materials Today,据悉该刊是材料学领域的学术刊物,而非物理领域的期刊。


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学界争议要点


1


麦克斯韦方程组需要 “拓展” 吗?


王中林论文的摘要第一句称,“传统的麦克斯韦方程适用于边界和体积固定的介质。但是对于涉及移动介质和时间相关配置的情况,必须扩展方程。” 该论文此后的推导和结论,都从这一点出发而展开。


然而,多位物理学和材料学领域的专家指出,这一论点本身有问题。


“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,” 香港科技大学物理学系讲座教授戴希说,“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。”


此后,在物理学领域内科学家们对运动介质的电动力学在各类体系中的应用也一直有各种研究,例如1976年,美国物理学家M.Lex和D.F.Nelson发表论文 Maxwell equations in material form [5],仔细讨论了在介质形变问题中的麦克斯韦方程组。理论上不管所处何种介质,只要建立起描述这些介质的本构关系(注:本构关系指的是电磁学中介质内产生的电极化和磁化等物理量跟电场和磁场强度之间的关系),代入麦克斯韦方程组,就可以得出正确的结果,不需要去 “拓展” 方程组。


戴希说,王中林论文中讨论的平动,只是上述论文讨论的一个特例。具体来说,刚体平动就是保持物体的形状不变,不变形不转动,平直地移动。


此外,在物理学本科生都会接触到的1984年出版的教科书《连续介质电动力学》中,有一小节专门讨论这个问题。“这些方程式在动体中的应用性是显而易见的”(The applicability of equations to moving bodies is evident),这本由前苏联物理学家列夫·朗道编写的教科书写道。



其实,“一个优秀的大学生或研究生,只要读过朗道的 ‘连续介质电动力学’,就不会把这个东西当成一个伟大的贡献,只是对爱因斯坦的 ‘动体的电动力学’ 介质中的推广做了一些近似而已。” 中国科学院数理学部院士、理论物理学家孙昌璞说。


中国科学技术大学教授、近代物理系主任刘万东:


看他(王中林)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,这只是将参考系放到运动流体元上的一个自然结果,所以,没有什么理论贡献。(他得出的)这个方程就是在运动介质参考系中的麦克斯韦介质方程,没有新意。


当然,将电位移中的极化模型细化并考虑非电极化部分,更好地对应工程应用有新意,但也仅此而已。


王中林说他的成果是拓展麦克斯韦方程。(但)这种拓展是自然的,不是创新,更不是理论物理领域的创新。


香港科技大学物理学系讲座教授戴希:


王中林老师的这篇文章想解决的问题,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。王中林老师不愧是“世界级科学家”,起点很高,但这个问题已经被爱因斯坦彻底解决了,从理论上不需要再去解决,但把它应用到各类特殊材料体系的时候,的确还需要解决工程计算上的一些问题。


关于运动介质的电动力学也早就写入了教科书,比如在Landau和Lifshitz的《连续介质电动力学》里就有专门一个章节讨论这个问题。之后,在上世纪七八十年代,随着光学、纳米、微波等各个技术领域的快速发展,对运动介质电动力学在各类体系中的应用提出了很多新问题,也促进了这个研究方向的发展。关于这一点,北京工业大学王雯宇老师2018年在《物理与工程》上写了一篇非常好的介绍文章,“运动介质洛伦兹协变电磁理论”,大家在微信上很容易查到。


在纳米科学领域成果斐然的王老师对这个问题产生了兴趣,本来是件好事,但不幸的是他做错了。他的问题出在想对介质中的电动力学做非相对论近似,这就需要非常小心,因为在这个问题中,有介质中物质的运动和电磁场的运动,物质(如组成介质的电子、离子)的运动规律在低速下有非相对论极限,而电磁场的运动规律永远是相对论的,必须满足洛伦兹变换而不是伽利略变换。这一点昨天我也是读了王雯宇老师的文章才彻底想明白的。而王中林老师的 “拓展的麦克斯韦方程组” 则恰恰是通过对真正的麦克斯韦方程做了伽利略变换得来的,破坏了最基本的相对论原理,不可能是对的。


科学的道路是艰辛的,只要是人不是神都会犯错,这本来没什么,真正让我揪心的是,诺大一个中科院纳米能源所,为什么没有人能提醒他?如此大张旗鼓地推上公共媒体之前,科学院内部为什么不征求一下院内相关单位,比如理论物理研究所或者物理研究所专家们的意见?没有有效的纠错机制,如何保证国家每年巨量投入的科研基金被善用?这些问题值得科学院的管理层深思。


最后再说一点其他感想,关于这个问题的许多细节,我在知乎上跟几位小朋友有更仔细的讨论,有兴趣的同仁可以去看看。在讨论中,有位普林斯顿的同学一语点破,非常准确地抓住了要害,他刚从国内某大学毕业(为了保护他,隐去校名),非清非北但电动力学是真正学通了,让我顿感后生可畏,未来可期。同时,北京工业大学王雯宇老师的综述文章也写得非常清楚,对我理解这个问题帮助很大。感谢这些可爱的年轻人,让我看到了中国科学的希望。


2


论文中的推导有问题吗?


除了指出其研究的出发点错了,另有一些学者指出论文本身在推导中存在问题。


中科院理论物理研究所前副所长、复旦大学教授虞跃:


第一眼看到王中林院士拓展的麦克斯韦方程,我的第一感觉就是有问题。其实,我第一眼就看出拓展方程的第三个方程不对,是从麦克斯韦方程的现代场论导出考虑的。麦克斯韦方程的导出分为两部分,动力学方程和拓扑约束。


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。我知道,王院士错了。


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图5 | 王中林院士发表论文插图|文献3


但有没有更物理的解释呢?让我从物理上认识出错的原因所在是在微信群里通过跟同行们的讨论,特别是受戴希教授和金晓峰教授的启发,才看清的。戴希说,对麦克斯韦方程作伽利略变换就可以得到王的拓展方程。这就是错误所在。伽利略变换是对有静止质量的粒子在低速运动时洛伦兹变换的非相对论近似,对王院士研究的物质场,包括介质的运动规律适用。麦克斯韦方程研究的是电磁场的运动规律,电流和电荷只是作为外源引进。根据光速不变原理,电磁场当然不是 “低速” 运动粒子,也没有静止质量,对麦克斯韦方程做伽利略变换,就破坏了电磁场的相对论性。而且,以介质作为电磁场的运动参考系,这不正是爱因斯坦1905年就摈弃的 “以太” 重生吗?当年苦苦寻找以太的人们也知道以太身份 “高贵”,不是一般的东东,而是 something else。王院士说,帝王将相,宁有种乎?谁都可以是以太。这太荒唐,也太没品味。就此打住。


3


科学家 “跨界” 搞研究,需要注意什么?


这并非王中林关于麦克斯韦方程组的首次 “跨界” 发表。《知识分子》检索发现,除了发布会介绍的这篇论文,更早前,王中林的类似论文On the first principle theory of nanogenerators from Maxwell's equations也发表于2020年7月的 Nano Energy [6]Triboelectric Nanogenerator (TENG) —Sparking an Energy and Sensor Revolution 发表于2020年3月的Advanced Energy Material [7] 等。


王中林1961年出生于陕西省蒲城县,1982年通过中美联合招考物理研究生项目(即CUSPEA)赴美国亚利桑那州立大学深造,1987年获物理学博士学位。他在纽约州立大学和英国剑桥大学做了两年的博士后研究后,在美国橡树岭国家实验室开始纳米科学领域的独立研究[8];1995年,成为佐治亚理工学院副教授。


据中国科学院北京纳米能源与系统研究所官网介绍,王中林研究组重点开展压电/摩擦式纳米发电机、摩擦电机理和压电(光)电子学等应用基础、功能器件及集成系统研究,包括纳米能源器件、量子电子器件、主动式微纳传感器、自驱动纳米器件与系统,并探索其在新时代能源、传感器网络和人机交互等领域的应用。


在材料学特别是纳米能源领域作出的开创性工作使得王中林所学界所知,他曾获得世界能源领域最高奖埃尼奖,并于2019年成为首位获得阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖的华人科学家,同时,他还是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士和佐治亚理工学院终身教授,也是国际纳米能源领域著名刊物 Nano Energy (最新IF:17.88)的创刊主编和现任主编。


尽管在纳米材料领域引用率颇高,王中林在材料学期刊上发表基础物理相关论文的做法遭到同行质疑,有评论认为若是重要物理学进展,发表在物理学学术期刊、由物理学家来评审更合乎常理。


通过大众媒体率先宣传学术成果的做法也遭到热议。1月13日,由王中林担任所长的中国科学院北京纳米能源与系统研究所举行“重大原创成果发布会”,邀请到中央广播电视总台、人民日报、中国日报、中国科学报、北京日报、北京广播电视台等多家大众媒体出席并进行现场报道。


国内某大学材料科学与工程系教授:


物理学的突破或者重大发现,只有物理学家才有资格评论。发表这种成果最好的地方就是物理评论快报——过去连续11年的物理诺奖工作都在上面发表。


自己认为重要的工作为什么不投到物理的杂志,经过物理学界严格的同行评议再发表?这类声称对物理学的突破/拓展,这几年我还听过很多,但这些工作都不是在物理学杂志发表。常常是在一个非物理的杂志发表,然后作者自己搞个新闻发布会/或者在自媒体发个稿子,声称取得了重大突破/拓展。


中国科学院数理学部院士、理论物理学家孙昌璞:


基础的科学研究工作在科学杂志上发表以后,不应该通过媒体宣传声称其重要性和重大突破,不经过经过学术界较长时间的检验和多少同行的认可,仅仅依靠媒体传播说话,是有学术作风问题的。过去若干年,有些基础研究工作仅仅靠中央电视台、还有什么媒体去说什么一个重大突破,某某是XXX之父,这些做法并不鲜见, 但在科学规范上站不住的!今天说突破麦克斯韦方程,这是不大可能的。为了真正科学,大家要静下来,真的去做原始创新。其实,真正做出特别的原创、特别重大成果的机会是不多的,你不能一会儿超越了爱因斯坦,一会儿超越了海森堡,一会儿超越超越了麦克斯韦。我觉得这是一种学术浮躁。最近几年炒的天使粒子,人为操纵数据,也都不是一个严肃的学术界应该做的。


著名化学家欧文·朗缪尔(Irving Langmuir)1953年,对此类问题提出pseudoscience的说法(中科院理论物理所教授郝伯林院士把它翻译成“赝科学”)。他说,这种事情通常会发生在一些比较知名的科学家身上,这些科学家通常做的是自己领域专业之外的东西。也许他对科学本身是虔诚的,但是他个人的意愿驱使自己走向一些误区,一厢情愿地以为自己做的非专业的东西是一个重大创造。然而,又不跟专业的同行讨论和交流,等不到主流的承认,就要过媒体来宣传自己的成果。历史上有很多人,包括像海森堡和泡利这样伟大的物理学家,晚年做大统一理论,也是这个样子的。对于赝科学,在自己领域取得了一定成就的科学家,如果缺乏科学精神,甚至受各种利益驱使,很容易走这样的不归路。所以,我觉得成功了的科学家更要要敬重专业,特别是敬重别人的专业。


这一次中科院某研究所关于“中国科学家成功拓展麦克斯韦方程”的媒体发布就很不专业。我看了相关的文章, 觉得这只是关于介质中麦克斯韦方程方程的讨论,关于运动介质中E和D, B和H的关系。50年代,我国著名物理学家黄昆先生就从微观地角度研究过介质中麦克斯韦方程方程的修正。70年代M.Lax 更有详细系统的分析。然而发布“拓展”和“突破”,并没有引用这些著名的工作, 似乎他们并不知道这些。重大突破不能建立在 “无知” 的基础上。Image


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讨 论














你怎么看中科院院士拓展麦克斯韦方程组的工作?对于这一论文争议和后续的跟踪,你更关注哪些问题?欢迎向《知识分子》来信(邮箱:editor@zhishifenzi.com)或留言评论。

Image 参考文献:(上下滑动可浏览)

[1] https://www.geograph.org.uk/photo/2174943

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/AvCHUPaMXU3xF6WNZqmgLA

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S136970212100359X

[4]https://www.zhihu.com/question/511590823

[5]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.13.1777

[6]https://www.sciencedirect.com/science/journal/22112855

[7]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000137

[8]http://news.sohu.com/20091207/n268727637.shtml

[9]https://books.google.com/books?id=VyNYDwAAQBAJ&pg=PA306&lpg=PA306&dq=%E8%B5%9D%E7%A7%91%E5%AD%A6&source=bl&ots=yDMMIQjIKM&sig=ACfU3U36jDmllFlBHE-LF_Q8BFgH-jZoyg&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiBjbavjbj1AhWzJDQIHUPKDGsQ6AF6BAgdEAM#v=onepage&q=%E8%B5%9D%E7%A7%91%E5%AD%A6&f=false



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这种神仙打架的帖子,俺就坐看华人大妈的点评

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牛皮吹破了。

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这种神仙打架的帖子,俺就坐看华人大妈的点评


TJSPM 发表于 2022-01-21 10:23

一般人就是看个热闹。这个一般人包括:大学物理教授、物理博士生、物理博士后;


两种人可以探讨方程对不对:

1普通的学了一年电动力学的学生,包括大学物理教授、物理博士生、物理博士后,你专门、但是悠哉游哉地研究麦克斯韦方程一年以上。

2普通的学了一年电动力学的学生,包括大学物理教授、物理博士生、物理博士后你从今天起恶补十天麦克斯韦方程。

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有个中科院系统的评价是:“某纳米 院士跑到了人家电磁学祖师爷的坟头蹦迪”。


再大的科学家在自己未涉足的领域都是一文盲。比如钱学森笃信人体特异功能。

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我稍微看了下知乎上的讨论,大部分听理性,就是具体的有事说事。


简单来说,看起来确实有不少人认为王院士的文章有问题。


意外,也不意外。


意外之处在于Materials Today不是烂杂志,如果出现低级的错误,有点意外。

不意外的地方在于,确实就像知乎里面有人说的,做材料的人,在物理上的想法和我们做物理的人确实有明显的不同。我现在是真的懒得费那精力去细想这细节是不是有问题(知乎上不少人谈了细节),但如果这文章给我review,那我还是会去想的。但做材料的人,未必。我代入式的想象过,如果这文章给我认识的几个做材料的朋友review,他们还真有可能想都不会往那个方向去想。所以过了review也并不是很意外的事。


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是个大忽悠,知乎上很多人揭露了

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Aldi
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诺贝尔奖呢?



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Aldi
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快点多拿 诺贝尔奖吧!!


别让美国人和德国人老是得了!!



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我不懂,我朋友圈里有个当年奥赛金牌后来cs phd的评论是:我的妈,院士做出一道本科电动力学习题渲染成人类文明里程碑了
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