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张操教授的一个质疑

(2014-05-01 19:24:14)
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科学创新思维

杂谈

最近在科学网上看到张操教授一篇题为“向赵凯华教授请教”的博文,对目前电磁学中用坡印廷矢量解释直流电能传输理论提出了质疑。


一直以来,电工学用高速电子流来解释电能传输,后来发现电子的移动速度极其缓慢,不可能由它来承担能量传输的功能,于是,电动力学家不得不放弃“电子流”传输理论,改为“电磁场”传输理论,赵凯华老师的著作就是基于这一背景产生的。这是一个前沿难题,需要在揭示电磁场和电元素的结构后方可解决。在还没有解决这个难题之前,教材编写者就急于向青年学生灌输这种不成熟的理论,很不妥当。从这一点上看,张操的质疑有一定积极意义。


张操教授的质疑博文中,贴出了一个用坡印廷定理解释直流电能传输示意图如下:

张操教授的一个质疑


右下角是教科书中关于电能转变为负载焦耳热的示意图,描述电能通过空间电磁场传输,其动力学关系需要用坡印廷能流矢量来计算。


坡印廷是19世纪的一位英国科学家,图中的箭头代表电磁能流,显示出电池是向外空间输出电磁能量,然后负载从外空间吸收电磁能,并转化为焦耳热,张教授指出这是错误的。这个图不仅在大学电磁学教科书中沿用了近30年,而且已出现在一些中学的教科书中,说明流传年代已很久。

 

导线传输电能是普通人都能理解的电工学常识,电工学是实用技术,不需要研究电能的传输机制,但电动力学则不一样,它的主要任务就是要搞清楚电能传输的动力学机制。于是,电动力学将直流电传输机制归纳到电磁波理论来解释,把坡印廷矢量作为能流的传输方式。这样处理后,必然会出现无法回避的能流载体问题,于是,就出现了张操教授的质疑。


目前为止,物理学中所有“场”理论依然停留在100多年前的“数学场”层面,从引力场到电磁场,尚未见有承载“场”功能的本体元素,导致众多高中生、大学生在高度抽象、极其繁琐的场论中耗费时日,要破解这个难题,可能需要用易学公理来演绎。


张操的质疑有一定道理,但他的“纠错”方式仅是把电动力学回归到电工学,没有实质性理论突破,很难让赵凯华老师和其他电动力学专家折服。电工学是“唯象”理论;而理论物理学家所追求的是电动力学原理,因此,直流电传输机制是当今理论物理学值得探讨的世界性难题。


8月17日更新


天去科学网浏览了张超老师的“【学术擂台】关于直流电路中电能的传输博文,我曾提醒张超老师,如果仅以电工学知识质疑,可能会引来主流科学界更大反弹。果不出所料,他的质疑遭到了清华大学一位名叫“文克玲学者的阻击,文克玲教授对主流电动力学非常熟悉,回复张教授的质疑也很有分量,但在他的反质疑论点中,一直没有谈及电能的载体问题,因此,看来这个问题很有深入研究的价值。


我在博文评论栏作了如下回复:


张超老师在这里提出了一个重要课题,需要引起电磁学界认真思考。赵凯华教授用坡矢能流解释强电输送的方向没有错,但教科书中给出的这个示意图却很容易使人产生误解。1.通电时,导线周围的电场不是静场,它随电流移动,其功能是激发磁场,形成洛仑兹力,确保电流运行不逾矩(辐射)。2.在没有能量消耗时,回路中的玻矢方向总是与电流方向一致,遇到电阻时,指向导体内层,故图中电源处的玻矢方向可能有误。3.这是一个较为前沿的课题,仅回到电工学来解释可能还不能解决问题,电能载体是电元素,导线周围空间没有电元素,不可能承载如此巨大的正能量,因此,欲想解释电能输送的速度问题,可能要从重新认识电元素的结构视角入手。这种认识不一定对,仅供参考。


这个课题的深层知识是“场论”,目前的物理学场论,只是跟在数学家后面亦步亦趋,场中没有自己的物理本体,“经典场、引力场、电磁场、量子场、规范场、标量场、矢量场”中都没有本体支持,没有本体的“场论”,把现代科学推入不可自拔的尴尬境地。


为深入讨论这个课题,我准备在另一博文:“神奇的以太——炁场”中展开,有兴趣的读者可关注并参与,共同为完善“场论”出主意。


8月18日更新


今天去科学网浏览了张操老师的博文,又写了一个跟贴,内容如下:


 

打擂台的响应者尽管寥寥无几,但正反方论证的水准都很高。文克玲教授设想用电阻丝代替导线和电阻,连接正负极的论证方案证明,不用玻印亭向量处理电能输送,确实无法解释电能传递速度和能流分布问题。张超老师强调导线外空间没有能量载体,也确实是一个理论不能自洽的质疑点。将两方面观点综合起来,说明讨论这个问题是很有价值的,建议教材编审部门召开一个小型研讨会,集思广益,共同把这个疑难问题搞清楚。在疑难问题没有达成共识之前,建议先把教科书中那张示意图进行修正,因为直流电能的玻矢,无论在电源内部或外电路,按照电磁场叉乘(右手定则)总是内倾的。


8月19日更新


今天一大早我在张操老师的擂台上发了一个回复,内容如下:


按照我的看法,教科书中的示意图应该是一个不得已而犯的错误,任何一个学过电磁学的人,只要细心一点,也不会在电源处叉乘出一个向外发散的能流矢量。国内教科书之所以画成这个样子,也就是为用玻矢计算能流时可以讲得更通顺些,结果弄巧成拙,犯了一个低级错误。

纠正这种低级错误不用讲理由,只要用矢量叉乘结果给教材编审者发个函,必定会得到回应,这就完成了纠错第一步。示意图错误纠正后,演绎电能传输时必然会遇到与电子流解释同样的麻烦。此时,一般有两种处理态度,一种是消极态度,将教科书恢复到外国教科书原样,继续勉强维持下去;另一种是积极态度,召集相关人进行深入研究。

按照目前国内学术气氛预测,持第一种态度的可能性较大。不过,这也没有关系,至少对强电传输理论推进了一步,我预测,用不了很长时间,肯定会有人搞出新理论取而代之。



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