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王中林 - 麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组是物理学中的第一个统一理论，它统一了电和磁两种以前被认为是不同的相互作用，是经典物理学的基石，也是许多现代技术的基础：爱因斯坦在1905年基于此方程发现了狭义相对论，Tomonaga, Schwinger, Feynman 和 Dyson基于此提出了量子电动力学等等。2021年底中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授发表论文，将麦克斯韦方程组基于静态电磁场理论推广到低速（远小于光速c）运动介质情形、延伸了麦克斯韦方程组的工程应用范畴,提出了低速动生麦克斯韦方程组的相关理论及其数学求解方法。该成果推出后,引发了学术热议和争论，尤其是物理学界出现了质疑的声音。本期“有一说一”节目特邀了王中林教授及其他四位在这一讨论中发表了论文的物理学家来全面清晰地讲述自己的观点并开诚布公地进行学术研讨。 本期为此次讲座第一期。 摩擦起电是宇宙间最普遍的现象之一，存在于几乎所有的物质的不同相之间的相互接触和作用。利用接触起电效应，我们发明了摩擦纳米发电机(TENG),其应用涉及到多个领域，例如微纳能源，自驱动传感，医疗健康，坏境保护与检测，穿戴式与柔性电子器件，安防技术等。纳米发电机不但能够提供物联网中的分布式能源，同时也有可能用来大范围收集海洋中的蓝色能源，有可能为"双碳"做出贡献。摩擦纳米发电机的原理是基于介质相对运动而产生的位移电流而把机械功转为电功的。当运动的频率变高时，就有“动而产生的电磁辐射"，为了描述这些未来科学的发展，我们推导出了低速运动介质中的动生麦克斯韦方程组(Maxwell equations for mechano-driven slow-moving media)。我们首次在电位移矢量D中增加了 PS项(D = e。E+P+E),其代表由于机械动而产生的表面电荷而引入的极化项，在麦克斯韦方程组中由原来的电磁转换引入了代表"动生电”的物理项及其力-电-磁耦合。正是由于这一项，我们才能推算出由于动而产生的电功输出和相应的电磁波辐射。延伸的麦克斯韦方程组基于两个条件：v « c；忽略由于介质运动而产生的相对论效应。因此新推导出的方程组适用于描述工程中有多个运动介质在实验室坐标系中所观测到的电磁现象。这种实用性是传统的麦克斯韦方程组所不直接具有的，这也是为什么我们要延伸传统的麦克斯韦方程组的初衷和目的。因此，在有些领域麦克斯韦方程组一定要保持它的理论完美性，但在另外一些领域更重要的是要用来解决技术和应用中的具体问题。这才是人类社会解决我们地球上发展最需要的。