王中林院士“拓展麥克斯韋方程組”受質疑，問題出在哪裏？ | 袁嵐峯_風聞

導讀

在麥克斯韋方程組中談伽利略變換，天然就是近似的，所以這並不適合稱為拓展。

最近，中國科學界的一個大新聞是著名納米科學家、中國科學院外籍院士王中林宣佈拓展了麥克斯韋方程組，發表在材料學期刊《Materials Today》上。

2022年1月13日，王中林擔任所長和首席科學家的中國科學院北京納米能源與系統研究所召開重大原創科學成果發佈會，向包括CCTV、人民日報、中國日報、中國科學報等在內的多家媒體發佈了這項成果。

王中林院士

然而，這件事在學術界的反響十分奇妙。我幾乎沒有見到一個理論家對此表示贊同的，表示質疑的倒有很多。1月17日，“知識分子”發佈了幾位學者對此的疑問，同時也發佈了王中林對此的書面回覆（爭鳴 | 王中林院士 “拓展麥克斯韋方程組”，學界怎麼看？）。

在我看來，首先，有來有往的學術爭鳴是好事。然後，看了雙方的論述之後，我也初步有了自己的判斷。摘錄王中林的回覆如下：

專家質疑一

運動介質的電動力學就是愛因斯坦117年前想要解決的問題，關於這個問題的思考和研究導致了物理學史上最偉大的發現之一，狹義相對論的誕生。但這個問題已經被愛因斯坦徹底解決了，關於運動介質的電動力學也早就寫入了教科書。

王中林回應：

相對論是偉大的理論。而我們提出的拓展式麥克斯韋方程組和狹義相對論不矛盾。狹義相對論是描述在A參考系中發生的一個電磁現象被在處於A參考系和運動中的B參考系中的兩個不同人同時觀察所帶來的不同觀察結果，即一個電磁現象兩個觀察者。在這種情況下，麥克斯韋方程組在兩個座標系的表達形式是不變的。然而，拓展型麥克斯韋方程組描述的是發生在A參考系和運動中的B參考系中的兩個不同且可能有關聯的電磁現象被處於A參考系中的同一個人觀察所的到的結果，即兩個有關聯的電磁現象一個觀察者 ，並且假設介質運動的速度遠小於光速。原文中圖7把這個區別講得非常清楚。Landau和Lifshitz的書中討論的是狹義相對論下的情況，而我們討論的是後者的情況。在我們文章第4頁，公式(14a)前面一段話中，我們明確了邊界條件和假設，對遠低於光速下的運動物體，可以運用伽利略變換對方程組進行了處理。此時，可能處理後的方程組不具有協變性，但不影響我們所要研究的具體對象和在工程中的應用，因為我們不是嚴格討論場論理論的。

我遠不是這方面的專家，不過對基本的意思也能看懂一些。麥克斯韋方程組是電動力學的基本方程，在電動力學中用伽利略變換，結果必然是近似的，所以王中林的研究應該是對麥克斯韋方程組在某種情況下做近似。這樣也許確實能得到一個更方便應用的形式，但這不應該叫做拓展，而應該叫做應用。

按照一般理解的用法，拓展指的是本來某個理論不能覆蓋某種情況，現在你在這個理論中增加一些東西，使得它能夠覆蓋這種情況。麥克斯韋把傳統的電磁學統一成他的方程組，就是這樣的拓展。因為他提出了位移電流的概念，這是原本沒有的，而被後來的實驗證實。這是革命性的突破。而王中林做的是把已有的普遍適用的方程組用到某些特殊情況，再做些近似，這應該就是個正常的應用，把這叫做拓展是相當誤導的。這一切的前提還是他的推導正確，如果其中再有錯，那就更沒法提了。

對於學過電動力學的人，上面這些討論應該已經足夠清楚了。對於沒學過的人，我再來稍微解釋一下。

伽利略變換指的是牛頓力學中的座標變換，即如果兩個參照系之間的相對運動速度是u，那麼一個物體在參照系1中的速度v跟它在參照系2中的速度v’之間的關係是：

v’ = v + u。

舉個例子，一列火車相對於地面在以100公里每小時的速度前進，你在火車裏以相對於火車5公里每小時的速度前進，兩個速度同向，那麼你相對於地面的速度就是105公里每小時。

這聽起來完全是常識，對吧？但真正的重點在於，這個常識是錯的！準確地説，這個常識只在低速運動的情況下近似成立，低速的意思是遠低於光速。

如果接近於光速呢？那時伽利略變換就會造成嚴重的錯誤，而正確的速度關係是洛倫茲變換：

v’ = (v + u) / (1 + uv/c^2)，

其中c是光速。大家可以看出，當u和v都遠小於c時，洛倫茲變換就約等於伽利略變換。但當u或v接近c時，兩者的區別可就大了。

例如取u和v都等於c/2，也就是説A相對於B以一半光速運動，B相對於C也以一半光速運動，那麼A相對於C的速度是多少？伽利略變換得到的就是光速，但洛倫茲變換得到的卻是(1/2 + 1/2) / [1 + (1/2)^2] c = 1 / (5/4) c = (4/5) c！經常有人問，如果兩個人相向而行，每個人相對於地面的速度都是c/2，那麼他們之間的相對速度是不是就是c？現在大家明白了吧，答案是(4/5) c。

又如取v = c，這時你會發現無論u等於多少，v’都等於c。因為分子是c + u，分母是1 + u/c，它們相除總是得到c。這説明，光相對於任何參照系的速度都是c。

你還會發現，無論u和v怎麼取值，v’都不會超過c。例如取u = v = (2/3) c，伽利略變換會得到v’ = (4/3) c，而洛倫茲變換得到的是v’ =(2/3 + 2/3) / [1 + (2/3)^2] c = (4/3) / (13/9) c = (12/13) c。經常有人以為，兩個人以(2/3) c的速度相向而行，他們之間的相對速度就會超過光速，現在你明白這是錯的了吧？

你也許會問，洛倫茲變換如此反直覺，為什麼要相信它？答案是它得到了實驗的支持。實際上，人們之所以想到洛倫茲變換，就是因為麥克斯韋方程組滿足洛倫茲變換，而不滿足伽利略變換。也就是説，在電動力學和牛頓力學之間出現了明顯的矛盾。該相信哪個呢？這隻能依靠實驗判決。一百多年來，無數的實驗證明了洛倫茲變換才是正確的。

實際上，這就是狹義相對論的基本思想，即物理規律應該在洛倫茲變換下不變，而不是在伽利略變換下不變。麥克斯韋方程組天然的滿足相對論，而牛頓力學不滿足相對論。愛因斯坦做的，就是用相對論的要求改造了力學。

現在大家明白了嗎？在麥克斯韋方程組中談伽利略變換，天然就是近似的，所以這並不適合稱為拓展。

最後，我來引用一段香港科技大學物理學系講座教授戴希的評論：

科學的道路是艱辛的，只要是人不是神都會犯錯，這本來沒什麼，真正讓我揪心的是，偌大一箇中科院納米能源所，為什麼沒有人能提醒他？如此大張旗鼓地推上公共媒體之前，科學院內部為什麼不徵求一下院內相關單位，比如理論物理研究所或者物理研究所專家們的意見？沒有有效的糾錯機制，如何保證國家每年巨量投入的科研基金被善用？這些問題值得科學院的管理層深思。