關注風雲之聲提升思維層次導讀在麥剋斯韋方程組中談伽利略變換 天然就是近似的 王中林院士真的拓展麥剋斯韋方程組瞭嗎？| 袁嵐峰 - 趣味新聞網

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提升思維層次

導讀

在麥剋斯韋方程組中談伽利略變換，天然就是近似的，所以這並不適閤稱為拓展。

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西瓜視頻：

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本視頻發布於2022年3月11日，播放量已達6.3萬

精彩呈現：

最近，中國科學界的一個大新聞是著名納米科學傢、中國科學院外籍院士王中林宣布拓展瞭麥剋斯韋方程組，發錶在材料學期刊《Materials Today》上。

2022年1月13日，王中林擔任所長和首席科學傢的中國科學院北京納米能源與係統研究所召開重大原創科學成果發布會，嚮包括CCTV、人民日報、中國日報、中國科學報等在內的多傢媒體發布瞭這項成果。

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傢對此錶示贊同的，錶示質疑的倒有很多。1月17日，“知識分子”發布瞭幾位學者對此的疑問，同時也發布瞭王中林對此的書麵迴復（爭鳴 | 王中林院士 “拓展麥剋斯韋方程組”，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，看瞭雙方的論述之後，我也初步有瞭自己的判斷。摘錄王中林的迴復如下：

專傢質疑一

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緻瞭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瞭，關於運動介質的電動力學也早就寫入瞭教科書。

王中林迴應：

相對論是偉大的理論。而我們提齣的拓展式麥剋斯韋方程組和狹義相對論不矛盾。狹義相對論是描述在A參考係中發生的一個電磁現象被在處於A參考係和運動中的B參考係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，麥剋斯韋方程組在兩個坐標係的錶達形式是不變的。然而，拓展型麥剋斯韋方程組描述的是發生在A參考係和運動中的B參考係中的兩個不同且可能有關聯的電磁現象被處於A參考係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把這個區彆講得非常清楚。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)前麵一段話中，我們明確瞭邊界條件和假設，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瞭處理。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。

我遠不是這方麵的專傢，不過對基本的意思也能看懂一些。麥剋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剋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。麥剋斯韋把傳統的電磁學統一成他的方程組，就是這樣的拓展。因為他提齣瞭位移電流的概念，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，那就更沒法提瞭。

對於學過電動力學的人，上麵這些討論應該已經足夠清楚瞭。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坐標變換，即如果兩個參照係之間的相對運動速度是u，那麼一個物體在參照係1中的速度v跟它在參照係2中的速度v'之間的關係是：

v' = v + u。

舉個例子，一列火車相對於地麵在以100公裏每小時的速度前進，你在火車裏以相對於火車5公裏每小時的速度前進，兩個速度同嚮，那麼你相對於地麵的速度就是105公裏每小時。

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！準確地說，這個常識隻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。大傢可以看齣，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，兩者的區彆可就大瞭。

例如取u和v都等於c/2，也就是說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，如果兩個人相嚮而行，每個人相對於地麵的速度都是c/2，那麼他們之間的相對速度是不是就是c？現在大傢明白瞭吧，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。這說明，光相對於任何參照係的速度都是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的速度相嚮而行，他們之間的相對速度就會超過光速，現在你明白這是錯的瞭吧？

你也許會問，洛倫茲變換如此反直覺，為什麼要相信它？答案是它得到瞭實驗的支持。實際上，人們之所以想到洛倫茲變換，就是因為麥剋斯韋方程組滿足洛倫茲變換，而不滿足伽利略變換。也就是說，在電動力學和牛頓力學之間齣現瞭明顯的矛盾。該相信哪個呢？這隻能依靠實驗判決。一百多年來，無數的實驗證明瞭洛倫茲變換纔是正確的。

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。麥剋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瞭力學。

現在大傢明白瞭嗎？在麥剋斯韋方程組中談伽利略變換，天然就是近似的，所以這並不適閤稱為拓展。

最後，我來引用一段香港科技大學物理學係講座教授戴希的評論（爭鳴 | 王中林院士 “拓展麥剋斯韋方程組”，學界怎麼看？）：

科學的道路是艱辛的，隻要是人不是神都會犯錯，這本來沒什麼，真正讓我揪心的是，偌大一個中科院納米能源所，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傢們的意見？沒有有效的糾錯機製，如何保證國傢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。