马屁股的宽度能决定科学的高度吗？

---谨以此文献给全国科技创新大会

文/黄秀清

各位一定听说过【屁股决定大脑】，还听说过【马屁股决定航天飞机的设计】？

 

 

传说是这样的，美国铁路两轨之间的标准距离是4英尺8.5英寸。

 

因为美国最早的铁路是英国人建的，又因为英国的标准是4英尺8.5英寸，又又因为英国早期的铁路是由造电车的人设计的，又又又因为电车的轮距标准是4英尺8.5英寸。

 

又又又又因为电车轮距标准是古罗马军队战车的轮距宽度，又又又又又因为战车的轮距宽度等于牵引一辆战车的两匹马屁股的宽度......

 

而美国航天飞机推进器造好后要用火车运送，所以，象征现代科学文明的航天飞机的火箭助推器的宽度，是由数千年两匹马的屁股宽度决定的。

   

马屁股的故事还是颇有启发意义，历史的惯性力是非常强大的，当【马屁股】变成世代相传的常识、成为教科书的科学规则，再想改变它比登天还难。

 

由【马屁股】造成的常识性的错误，不仅存在于日常生活，也广泛地存在于科学中，那些由常识性错误而形成的所谓的科学共识，正成为科学进步和发展的最大阻力。

 

在科学研究中，当我们遇到所谓的【世界难题】时，是否想过它或许也是【马屁股】决定的？

   

超导，就是一个被【马屁股】决定的所谓科学难题，让超导由易变难的【马屁股】在哪里？

 

 它就躲藏在被誉为物理学最优美的麦克斯韦方程组里，它就是众人皆知的电流。

 

掀掉【马屁股】电流，一场百年一遇，由一个公式引发的科学革命已经到来，这场革命的发源地就在中国！

 

一、电流是电荷的定向移动吗？

教科书上说：电流是电荷的定向运动，单位时间通过截面的电荷量叫电流，物理学家称之为【传导电流】。

老师生动地说：电流就像自来水管里的水，开关开启，电子就哗哗地【流出来】，电灯亮了，风扇转了，电脑工作了......

 

电流就是流动的电荷，是所有人深信不疑的科学真理。

 

电流像水流，这幅【马屁股】图像深深地刻在每个人的脑海里，所以当超导被发现后，科学家首先想到的是：

 

电子在超导体中如何流动才能不产生电阻？这就是著名的BCS理论的出发点。

 

认真回顾一下，所有超导问题都在电子流动上做文章：

 

超导环中的【永不衰减】的持续电流，【超导/绝缘/超导】三明治约瑟夫森结的穿透电流，涡旋超导电流......

 

面对逻辑混乱、自相矛盾的超导电流理论，鲜有人发出这样的疑问：

 

电流真的是电荷的流动吗？真的存在所谓的传导电流吗？电子真的能在超导环内不停地流动几万年？电子真的穿过绝缘层？......

 

 

图1.1，为了确保电流的连续性，麦克斯韦在电容器两板之间引入位移电流。

 

学物理的应该都知道，除了【传导电流Jc】，还有一个被认为与电荷定向运动无关的电流，它就是麦克斯韦的【位移电流】。

 

【位移电流JD】这个创新思想源自上图的电容器，对于包含电容器的电子线路，为了满足电流连续性的要求，麦克斯韦认为必须在电容器两板之间引进【位移电流JD】。

 

有人认为【位移电流】是虚假的概念，必须抛弃，我的观点恰恰相反，虚【位移电流】为真，实【传导电流】为假。

 

【位移电流】才是打开自然奥秘的那把金钥匙，必须抛弃的是【传导电流】，电流不是电荷的定向移动！

二、麦克斯韦：神来之笔的位移电流！

 

麦克斯韦方程通常表示为如下的微分形式：

 

 

方程中ρe是电荷密度，Jc是传导电流密度，E和B分别是电场强度和磁感应强度。

 

麦克斯韦的主要贡献就是方程（2.4）的右边第一项，即【位移电流】。

 

【位移电流】假说的核心思想是：变化的电场激发磁场。

 

由于方程（2.3）代表变化的磁场可以激发电场，所以电场和磁场不再彼此孤立的，它们相互联系、相互激发形成统一的电磁场。

 

现代科学已经证明，【位移电流】假说具有划时代的里程碑意义。

 

如果让我来评人类最伟大的科学家，第一牛顿，第二麦克斯韦，若非英年早逝（1879年逝世，年仅48岁），麦克斯韦必是首位诺贝尔物理奖获得者。

   

虽然麦克斯韦方程取得了巨大成功，必须指出它并不完善，以麦克斯韦方程为核心的电磁理论不满足完备性和封闭性，仍需进一步完善。

 

我认为麦克斯韦方程有两大不足：（A）方程（2.1）和（2.2）的内在关系依然不清，静磁场的本质是什么？

 

它由谁产生？

 

如何产生？

 

（B）由于传导电流Jc的存在，方程（2.3）和（2.4）不满足对称性，这种不对称性是自然规律的真实反映？还是人为的【马屁股】造成的？

 

三、狄拉克：画蛇添足的磁单极子！

 

不难发现，在无源的情况下（ρe=0，Jc=0），上面的麦克斯韦方程组满足对偶变换不变性（E→B；B→-E）。

 

狄拉克相信，电磁的对偶对称性在有源情况下也要满足，他认为，既然电有基本电荷—→电子，磁也应有基本磁荷—→磁单极子；

 

电子的流动产生电流，磁单极子的流动产生磁流。

 

基于这样的出发点，1931年狄拉克把麦克斯韦方程组改写为以下的对称形式：

 

上式中ρm代表磁荷密度，Jm代表磁流密度。根据狄拉克的磁单极理论，基本电荷（e）和基本磁荷（g）满足如下的关系：

式中c代表光速，h代表普朗克常数。

 

因大众普遍接受磁铁有N极和S极，南北两极总是同时存在，不存在磁单极子（独立存在的N极或S极），所以狄拉克磁单极子假设震惊了科学界，遗憾的是【磁单极子】纯属画蛇添足。

 

在理论方面，众多大牛（费米、杨振宁、塞伯格、威滕等）对磁单极子理论做了补充和完善。

 

在实验方面，科学家苦苦地寻找磁单极粒子，宇宙射线、加速器、月球岩石、深海沉积物、动量空间、干冰......

 

八十多年已经过去，结果除了失望还是失望。

 

近年，NATURE/SCIENCE又狂炒【磁单极子】的所谓发现，本人对【磁单极子】的存在一直持否定的态度，2008年在ArXiv上发文（见附件）：

 

狄拉克磁单极子就是电子和质子！任何寻找磁单极子的努力都是徒劳的。

 

我下此结论的根据如下：

 

（A）如果存在磁单极子，它一定广泛地存在于磁铁中，而不是跑到月球、动量空间、加速器或干冰里去寻找（这么简单的道理都不懂，还玩什么科学？所以，不要迷信所谓的科学家，他们的大脑经常被马屁股撞坏）。

 

（B）理论推算的磁单极粒子的质量大得惊人，约为质子质量的1亿亿倍！比细菌还要大，如果磁单极子是实物基本粒子，它应该很容易被探测到（比如对磁性材料进行退磁处理）。

   

物理讲究的是科学依据，说磁单极子就是电子和质子同样必须有坚实的科学依据：

 

第一、把一块磁铁不停地一分为二，最后剩下与电磁性质有关的基本粒子一定是电子和质子；

 

第二、根据(3.5)式的电荷、磁荷关系，利用（3.6）式的无量纲精细结构常数，狄拉克基本磁荷（g）重新表示为（3.7）式：

 

 

（3.7）式无可辩驳地表明，所谓的基本磁荷（g）就是基本电荷（e），狄拉克【磁单极子】子虚乌有。

 

狄拉克如果见到式（3.7），一定会羞愧得满地找洞，为了对称而对称不懂物理！

 

四、静磁场就是电偶极子电场

 

图4.1，磁单极子（N极+S极）磁场与电偶极子电场的比较。

 

既然否定了【磁单极子】，那么磁性是由谁产生的？我要告诉世界的是，所谓的静【磁场】就是电偶极子电场。

 

请看图4.1，假设存在【磁单极子】，图4.1（a）代表【磁单极子】的静磁场，而图4.1（b）是【电偶极子】的静电场，不难发现两者没有任何区别，由电子+质子（或离子）形成的【电偶极子】就是最小的天然【磁针】。

 

 

图4.2，导体、铁磁体和超导体的微结构模型。红色代表电子、蓝色代表离子，它们形成电偶极子结构。在任何材料中，电子一直受正电荷离子的约束，它们从来没有脱离正离子成为所谓的自由电子，所以不存在传导电流。

 

如图4.2所示，任何材料最终都能简化为电子+离子，材料的电磁性质主要由电子+离子来承担，区分绝缘体、导体、半导体、磁体、超导体的关键是：电子+离子形成怎样的电偶极子结构？

在无外场情况下，金属材料中的所谓自由电子并不自由，它们被正离子束缚在周围，（电子+离子）电偶极子没有较一致的取向，如图4.2(a)所示。

 

在外场的作用下，（电子+离子）电偶极子产生极化，并在材料周围形成电偶极子场（一直被误读为磁场），如图4.2(b)所示（注：在交流电情况下，电偶极子的方向会发生周期性翻转）。

 

在图4.2(c)的铁磁材料中，外层轨道局域电子与离子形成内禀的电偶极子阵列和相应的【磁场】，在居里温度以上电偶极子的取向序将被破坏，【磁性】也将消失。

 

与图4.2(b)(c)略有不同，当超导材料进入超导态，（电子+离子）电偶极子将有完全一致的取向序，如图4.2(d)所示。

五、超导体就是低温永磁体

 

 

图5.1，超导磁悬浮【溜冰滑板】。

 

很多人用【神奇】来描述超导，我一直有与众不同的观点，超导一点都不神奇。

 

各位不妨重新扫描一眼罗会仟老师的博文【神奇的超导【图片版】】，那些漂亮图片告诉我们什么？答案：超导体就是低温永磁体。

 

 

图5.2，电偶极子阵列可以简化为电偶极子超晶格。 (a)磁性材料、外场作用下的导体，由于电子+离子的偶极子存在取向序的扰动，相应的超晶格不是很完美；(b)超导体，具有完美的超晶格。

 

为了抓住问题的根本，可以对图4.2进行简化，金属处于导电状态【图4.2(b)】和磁性材料【图4.2(c)】，可以用图5.2(a)的非完美电偶极子超晶格进行表示，而超导态可以用5.2(b)的完美电偶极子超晶格进行表示。

 

利用这个简单的模型，所有超导问题都可以得到完美解释。

 

比如超导环中的【永不衰减】的持续电流，它就是电偶极子超晶格环的静电场（见图5.3），根本就没有所谓的超导电流在里面流动。

 

有兴趣的读者可以比较一下量子微观的约瑟夫森结与经典宏观的电容器（图1.1），不难发现两者的物理本质完全相同。

 

 

图5.3，利用电偶极子超晶格模型，解释超导环中的【持续电流】。

 

真实超导环中不存在【持续电流】，实验测量的【磁场】就是电偶极子超晶格环的电场。

 

六、新麦克斯韦方程

 

现在一切都清楚了，在材料中从来没有发生过电子的定向运动，只有电子相对正电荷离子的【定向位移】，【定向位移】形成内禀的（电子+离子）电偶极子超晶格，而电偶极子电场被误解为【磁场】，被误解的【磁场】又被【马屁股】为【传导电流】的贡献。

 

把【传导电流】从麦克斯韦方程中彻底移除，可得下面的新麦克斯韦方程组：

 

第一个方程、第三个方程与老麦的物理意义完全相同；

 

第二个方程与老麦不同，它代表电偶极子静电场，它可以理解为【空间变化的电场产生磁场】；

 

第四个方程与老麦完全不同，【传导电流Jc】被抛弃，只保留【位移电流】，它代表【时间变化的电场产生磁场】。

 

新麦克斯韦方程组终于实现了科学家梦寐以求的目标：简单、对称、自洽、完美、封闭！

   

如果麦克斯韦在【传导电流】假设的基础上再向前一步，用【位移电流】彻底替代【传导电流】（根据包含电容器线路的电流连续性，很容易得出这样的结论），新方程一定属于麦克斯韦；

 

如果狄拉克不是那么自信，也把磁单极子磁荷（g）进行简单的还原，他一定会发现【磁单极子】就是电子，必然得出磁场就是电偶极子静电场，新方程就一定属于狄拉克。

 

科学的发现没有如果，现在这个新方程属于中国人。

 

七、结论

 

1. 首次发现沿用几百年的【传导电流】概念是错误的，必须被抛弃。

2. 首次证明狄拉克【磁单极子】假说是错误的，指出【磁单极子】就是电子。

3. 首次揭示了静磁场就是电偶极子的静电场，实现了静、动电磁现象的完美统一。指出所谓【磁场】，本质上都是时间或空间变化的电场。

4. 首次阐明材料的物理性质主要由其内禀的【电子-质子（离子）】电偶极子阵列的性质决定，并首次提出电偶极子超晶格的新概念。

5. 首次在微观层面实现了金属、磁性、超导的统一解释，指出超导体本质上就是低温永磁体。

6. 首次实现了麦克斯韦方程的完美对称、自洽封闭。

 

杨振宁先生曾经用【秋水文章不染尘】来形容狄拉克文章没有一点渣子，看看狄拉克的【磁单极子】理论，就知道这个赞誉的水分有多大。

 

杨先生：新麦克斯韦方程才是一尘不染，它才是对称美与物理学的完美统一，对它的美，您应该最具鉴赏力。

 

中国科研工作者为什么不会创新？

 

因为他们的大脑不是由洋人屁股决定，就是由领导的屁股决定，他们坚决拥护洋屁股的权威、听从洋马屁股的指挥。

 

他们不仅不相信自己有大脑，也不相信其他中国人有大脑，当然，更不愿意看到有大脑的中国人。

 

开会不可能医治中国知识分子的【创新缺乏症】，要恢复他们的创新功能，必须对知识分子进行【开脑】治疗！

 

【讨论】

 

Xpsong（2015年1月24日）问：还想请教一下黄老师，按这个理论，国际基本单位中电流的单位安培要重新定义？宏观上又怎么理解电阻和电流概念？现在电工学和微波工程领域，还是经常使用等效电路。要是把这个理论让我们搞工程应用的能够很形象的理解就更好了。

答：您客气了，一起讨论吧。电流实际上就是电磁波能量流，电阻就是电磁波能量在传播过程的损耗。更细节的需要进一步量化，其实只要进行等效处理。

 

Xpsong问：可以将电场和磁场的产生理解为，磁场只由电偶极子产生，而电场不但可以由电偶极子产生，还可以由单独的电子或离子产生？

答：对。

 

王春艳（2014年1月25日）问：恩，我觉得好像基本自洽的。没仔细看磁单极子的定义，不过感觉4.1图好像的确有点问题哈。我觉得李铭老师的质疑可以有助于你的表述更清晰，是不是应该是：磁场是电偶极子的空间变化引起的，而不是静止的电偶极子生成的？

丁国盛（2012年7月10日）问：纯粹外行，具体内容层面完全不懂，但凭直觉，楼主的理论像是对的。比如，电流传播速度是光速，而电子的流动速度应该绝对达不到这个速度，因此我也觉得电流的本质应该不是电子的流动。

答：您的直觉是对的，如果电流是电子的整体性流动，很难解释交流电的形成，电子在某个平衡位置的振动才能解释交流电。

 

吕喆（2012年7月10日）问：从电子管阴极通过热电子发射出来、向屏极（阳极）运动的电子束流，算不算传导电流？

答：我们谈传导电流，一般指电子在正电荷背景的晶格中的传输，所以，从电子管阴极通过热电子发射出来的电子束流不是传统意义的传导电流。

 

印大中（2012年7月9日）问：电流方向与磁力线方向相互垂直，但是你的体系好像是同向？

答：严格说，我的体系没有电流方向，只有电偶极子的极化方向。图5.3中的电流方向是假想的，它与假想的磁力线方向相互垂直。

 

罗教明（2012年7月9日）问：秀清这篇文章，我得仔细想想！现有的电磁理论有缺陷，这点我可以肯定，因为对于运动电荷的辐射时出现了严重问题。还有一点，新理论中洛伦兹力该如何理解，能不能说说。

答：教明，物理学真的要从一些最基本的问题入手，才能回归它的科学性。包括运动电荷的问题，原子的稳定问题，洛伦兹力等等。洛伦兹力的物理本质仍然不清楚，我倾向于用【场-场】相互作用来解释，具体的方案还不成熟。

 
转自：一个科学【叛徒】的世界分享
http://blog.sciencenet.cn/u/xqhuang