院士跨界發表重大成果，學界怎麼看？| 圖源：pixabay.com
編 者 按
實體學經典 “麥克斯韋方程式” 在100多年後獲得了拓展？近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所召開的一場 “重要原創成果釋出會” 引發争議。圍繞着該所所長、中科院外籍院士王中林在去年發表的一篇論文，實體學界數位學者指出了三點疑問，《知識分子》梳理争議細節并整理釋出。此外，《知識分子》也收到了王中林獨家書面回應，公衆号同日發表質疑與回應兩篇文章，給科學一個争鳴的空間。真理越辯越明。
撰文 | 知識分子
● ● ●
院士跨界發表重大成果事件
中學時期，我們都做過這樣的實驗：讓一個磁鐵通過線圈，線圈會産生電流。這是最基礎的電磁學，它研究的是電和磁之間的互相作用。如果說電磁學是一座大廈，那麼麥克斯韋方程組就是它的地基。這個誕生于19世紀60年代的方程組由四個方程式組成，分别描述了靜電、靜磁、電生磁、磁生電的定律。
圖1 麥克斯韋方程組 | 圖源[1]
而近日，一項由中國科學院外籍院士王中林領銜的研究引起國内媒體關注。這項研究稱拓展了麥克斯韋方程組的應用範圍，相關報道[2]稱其“奠定了運動媒體電動力學的理論基礎”，被稱為 “中國科研機構對經典實體學基礎理論創新作出的一次重要貢獻”，且有 “巨大的潛在應用場景”。
組圖2 釋出會邀請了中央廣播電視總台、人民日報、中國日報、中國科學報、北京日報、北京廣播電視台等多家媒體進行了現場報道[2]
這項研究于2021年10月發表 [3] 在國際學術期刊 Materials Today。2022年1月13日下午，中國科學院北京納米能源與系統研究所召開釋出會 [2]，邀請多家政府機關和官方媒體出席，稱王中林經過數年研究和實驗驗證，對麥克斯韋方程組進行了成功拓展。王中林是中國科學院北京納米能源與系統研究所所長與首席科學家。
圖3 論文截圖|文獻[3]
然而，該新聞甫一釋出就遭到了多方質疑。
社交平台知乎上一則有關“如何評價王中林院士拓展麥克斯韋方程組？對實體學理論有多大價值？”話題下湧現出衆多質疑聲音，其中獲得最高贊的一個回答明确給出結論：擴充的結果有明顯錯誤。
圖4 該論文在社交平台獲得熱議|網頁截圖
針對該論文的争議，《知識分子》聯系到的數位實體學領域專業人士大體給出兩種評價：一些人指出，麥克斯韋方程組在運動媒體中的應用情況，學界早有定論，該成果并非奠基式的 “重要成果”；也有人指出，論文中的推導有誤，得出的結論并不可靠。
此外，引發争議的還涉及發表該論文的 Materials Today，據悉該刊是材料學領域的學術刊物，而非實體領域的期刊。
學界争議要點
1
麥克斯韋方程組需要 “拓展” 嗎？
王中林論文的摘要第一句稱，“傳統的麥克斯韋方程适用于邊界和體積固定的媒體。但是對于涉及移動媒體和時間相關配置的情況，必須擴充方程。” 該論文此後的推導和結論，都從這一點出發而展開。
然而，多位實體學和材料學領域的專家指出，這一論點本身有問題。
“運動媒體的電動力學，就是愛因斯坦117年前想要解決的問題，關于這個問題的思考和研究導緻了實體學史上最偉大的發現之一，狹義相對論的誕生，” 香港科技大學實體學系講座教授戴希說，“但這個問題已經被愛因斯坦徹底解決了，關于運動媒體的電動力學也早就寫入了教科書。”
此後，在實體學領域内科學家們對運動媒體的電動力學在各類體系中的應用也一直有各種研究，例如1976年，美國實體學家M.Lex和D.F.Nelson發表論文 Maxwell equations in material form [5]，仔細讨論了在媒體形變問題中的麥克斯韋方程組。理論上不管所處何種媒體，隻要建立起描述這些媒體的本構關系（注：本構關系指的是電磁學中媒體内産生的電極化和磁化等實體量跟電場和磁場強度之間的關系），代入麥克斯韋方程組，就可以得出正确的結果，不需要去 “拓展” 方程組。
戴希說，王中林論文中讨論的平動，隻是上述論文讨論的一個特例。具體來說，剛體平動就是保持物體的形狀不變，不變形不轉動，平直地移動。
此外，在實體學大學生都會接觸到的1984年出版的教科書《連續媒體電動力學》中，有一小節專門讨論這個問題。“這些方程式在動體中的應用性是顯而易見的”（The applicability of equations to moving bodies is evident），這本由前蘇聯實體學家列夫·朗道編寫的教科書寫道。
其實，“一個優秀的大學生或研究所學生，隻要讀過朗道的 ‘連續媒體電動力學’，就不會把這個東西當成一個偉大的貢獻，隻是對愛因斯坦的 ‘動體的電動力學’ 媒體中的推廣做了一些近似而已。” 中國科學院數理學部院士、理論實體學家孫昌璞說。
▼
中國科學技術大學教授、近代實體系主任劉萬東：
看他（王中林）的方程，隻是将電位移矢量分成了兩個部分，時間偏微分變成全微商，這隻是将參考系放到運動流體元上的一個自然結果，是以，沒有什麼理論貢獻。（他得出的）這個方程就是在運動媒體參考系的中麥克斯韋媒體方程，沒有新意。
當然，将電位移中的極化模型細化并考慮非電極化部分，更好地對應工程應用有新意，但也僅此而已。
王中林說他的成果是拓展麥克斯韋方程。（但）這種拓展是自然的，不是創新，更不是理論實體領域的創新。
香港科技大學實體學系講座教授戴希：
王中林老師的這篇文章想解決的問題，運動媒體的電動力學，就是愛因斯坦117年前想要解決的問題，關于這個問題的思考和研究導緻了實體學史上最偉大的發現之一，狹義相對論的誕生。王中林老師不愧是“世界級科學家”，起點很高，但這個問題已經被愛因斯坦徹底解決了，從理論上不需要再去解決，但把它應用到各類特殊材料體系的時候，的确還需要解決工程計算上的一些問題。
關于運動媒體的電動力學也早就寫入了教科書，比如在Landau和Lifshitz的《連續媒體電動力學》裡就有專門一個章節讨論這個問題。之後，在上世紀七八十年代，随着光學、納米、微波等各個技術領域的快速發展，對運動媒體電動力學在各類體系中的應用提出了很多新問題，也促進了這個研究方向的發展。關于這一點，北京工業大學王雯宇老師2018年在《實體與工程》上寫了一篇非常好的介紹文章，“運動媒體洛倫茲協變電磁理論”，大家在微信上很容易查到。
在納米科學領域成果斐然的王老師對這個問題産生了興趣，本來是件好事，但不幸的是他做錯了。他的問題出在想對媒體中的電動力學做非相對論近似，這就需要非常小心，因為在這個問題中，有媒體中物質的運動和電磁場的運動，物質（如組成媒體的電子、離子）的運動規律在低速下有非相對論極限，而電磁場的運動規律永遠是相對論的，必須滿足洛倫茲變換而不是伽利略變換。這一點昨天我也是讀了王雯宇老師的文章才徹底想明白的。而王中林老師的 “拓展的麥克斯韋方程組” 則恰恰是通過對真正的麥克斯韋方程做了伽利略變換得來的，破壞了最基本的相對論原理，不可能是對的。
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，諾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，科學院内部為什麼不征求一下院内相關機關，比如理論實體研究所或者實體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。
最後再說一點其他感想，關于這個問題的許多細節，我在知乎上跟幾位小朋友有更仔細的讨論，有興趣的同仁可以去看看。在讨論中，有位普林斯頓的同學一語點破，非常準确地抓住了要害，他剛從國内某大學畢業（為了保護他，隐去校名），非清非北但電動力學是真正學通了，讓我頓感後生可畏，未來可期。同時，北京工業大學王雯宇老師的綜述文章也寫得非常清楚，對我了解這個問題幫助很大。感謝這些可愛的年輕人，讓我看到了中國科學的希望。
2論文中的推導有問題嗎？
除了指出其研究的出發點錯了，另有一些學者指出論文本身在推導中存在問題。
中科院理論實體研究所前副所長、複旦大學教授虞越：
第一眼看到王中林院士拓展的麥克斯韋方程，我的第一感覺就是有問題。其實，我第一眼就看出拓展方程的第三個方程不對，是從麥克斯韋方程的現代場論導出考慮的。麥克斯韋方程的導出分為兩部分，動力學方程和拓撲限制。
具體來說，從王文的那張漫畫宣傳圖說起，圖左邊的方程1和4是可以從阿貝爾Yang-Mills作用量相應的運動方程得到的，跟物質場（包括帶電粒子和媒體）的耦合都在這兩個方程中。而方程2和3是恒等式，不是從 Yang-Mills 方程得到的，而是任何規範理論，包括非阿貝爾 Yang-Mills 理論，都要滿足的拓撲限制，稱為Bianchi恒等式。要修改方程2和3，隻能是拓撲客體，在電磁理論中是磁單極和它的流。王院士的拓展，顯然不是磁單極。我知道，王院士錯了。
圖5 | 王中林院士發表論文插圖|文獻3
但有沒有更實體的解釋呢？讓我從實體上認識出錯的原因所在是在微信群裡通過跟同行們的讨論，特别是受戴希教授和金曉峰教授的啟發，才看清的。戴希說，對麥克斯韋方程作伽利略變換就可以得到王的拓展方程。這就是錯誤所在。伽利略變換是對有靜止品質的粒子在低速運動時洛倫茲變換的非相對論近似，對王院士研究的物質場，包括媒體的運動規律适用。麥克斯韋方程研究的是電磁場的運動規律，電流和電荷隻是作為外源引進。根據光速不變原理，電磁場當然不是 “低速” 運動粒子，也沒有靜止品質，對麥克斯韋方程做伽利略變換，就破壞了電磁場的相對論性。而且，以媒體作為電磁場的運動參考系，這不正是愛因斯坦1905年就擯棄的 “以太” 重生嗎？當年苦苦尋找以太的人們也知道以太身份 “高貴”，不是一般的東東，而是 something else。王院士說，帝王将相，甯有種乎？誰都可以是以太。這太荒唐，也太沒品味。就此打住。
3科學家 “跨界” 搞研究，需要注意什麼？
這并非王中林關于麥克斯韋方程組的首次 “跨界” 發表。《知識分子》檢索發現，除了釋出會介紹的這篇論文，更早前，王中林的類似論文On the first principle theory of nanogenerators from Maxwell's equations也發表于2020年7月的 Nano Energy [6]；Triboelectric Nanogenerator (TENG) —Sparking an Energy and Sensor Revolution 發表于2020年3月的Advanced Energy Material [7] 等。
王中林1961年出生于陝西省蒲城縣，1982年通過中美聯合招考實體研究所學生項目（即CUSPEA）赴美國亞利桑那大學深造，1987年獲實體學博士學位。他在紐約州立大學和英國劍橋大學做了兩年的博士後研究後，在美國橡樹嶺國家實驗室開始納米科學領域的獨立研究[8]；1995年，成為佐治亞理工學院副教授。
據中國科學院北京納米能源與系統研究所官網介紹，王中林研究組重點開展壓電/摩擦式納米發電機、摩擦電機理和壓電（光）電子學等應用基礎、功能器件及內建系統研究，包括納米能源器件、量子電子器件、主動式微納傳感器、自驅動納米器件與系統，并探索其在新時代能源、傳感器網絡和人機互動等領域的應用。
在材料學特别是納米能源領域作出的開創性工作使得王中林所學界所知，他曾獲得世界能源領域最高獎埃尼獎，并于2019年成為首位獲得阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎的華人科學家，同時，他還是中科院外籍院士、歐洲科學院院士、加拿大工程院外籍院士和佐治亞理工學院終身教授，也是國際納米能源領域著名刊物 Nano Energy （最新IF：17.88）的創刊主編和現任主編。
盡管在納米材料領域引用率頗高，王中林在材料學期刊上發表基礎實體相關論文的做法遭到同行質疑，有評論認為若是重要實體學進展，發表在實體學學術期刊、由實體學家來評審更合乎常理。
通過大衆媒體率先宣傳學術成果的做法也遭到熱議。1月13日，由王中林擔任所長的中國科學院北京納米能源與系統研究所舉行“重大原創成果釋出會”，邀請到中央廣播電視總台、人民日報、中國日報、中國科學報、北京日報、北京廣播電視台等多家大衆媒體出席并進行現場報道。
國内某大學材料科學與工程系教授：
實體學的突破或者重大發現，隻有實體學家才有資格評論。發表這種成果最好的地方就是實體評論快報——過去連續11年的實體諾獎工作都在上面發表。
自己認為重要的工作為什麼不投到實體的雜志，經過實體學界嚴格的同行評議再發表？這類聲稱對實體學的突破/拓展，這幾年我還聽過很多，但這些工作都不是在實體學雜志發表。常常是在一個非實體的雜志發表，然後作者自己搞個新聞釋出會/或者在自媒體發個稿子，聲稱取得了重大突破/拓展。
中國科學院數理學部院士、理論實體學家孫昌璞：
基礎的科學研究工作在科學雜志上發表以後，不應該通過媒體宣傳聲稱其重要性和重大突破，不經過經過學術界較長時間的檢驗和多少同行的認可，僅僅依靠媒體傳播說話，是有學術作風問題的。過去若幹年，有些基礎研究工作僅僅靠中央電視台、還有什麼媒體去說什麼一個重大突破，某某是XXX之父，這些做法并不鮮見， 但在科學規範上站不住的！今天說突破麥克斯韋方程，這是不大可能的。為了真正科學，大家要靜下來，真的去做原始創新。其實，真正做出特别的原創、特别重大成果的機會是不多的，你不能一會兒超越了愛因斯坦，一會兒超越了海森堡，一會兒超越超越了麥克斯韋。我覺得這是一種學術浮躁。最近幾年炒的天使粒子，人為操縱資料，也都不是一個嚴肅的學術界應該做的。
著名化學家歐文·朗缪爾（Irving Langmuir）1953年，對此類問題提出pseudoscience的說法（中科院理論實體所教授郝伯林院士把它翻譯成“赝科學”）。他說，這種事情通常會發生在一些比較知名的科學家身上，這些科學家通常做的是自己領域專業之外的東西。也許他對科學本身是虔誠的，但是他個人的意願驅使自己走向一些誤區，一廂情願地以為自己做的非專業的東西是一個重大創造。然而，又不跟專業的同行讨論和交流，等不到主流的承認，就要過媒體來宣傳自己的成果。曆史上有很多人，包括像海森堡和泡利這樣偉大的實體學家，晚年做大統一理論，也是這個樣子的。對于赝科學，在自己領域取得了一定成就的科學家，如果缺乏科學精神，甚至受各種利益驅使，很容易走這樣的不歸路。是以，我覺得成功了的科學家更要要敬重專業，特别是敬重别人的專業。
這一次中科院某研究所關于“中國科學家成功拓展麥克斯韋方程”的媒體釋出就很不專業。我看了相關的文章， 覺得這隻是關于媒體中麥克斯韋方程方程的讨論，關于運動媒體中E和D， B和H的關系。50年代，大陸著名實體學家黃昆先生就從微觀地角度研究過媒體中麥克斯韋方程方程的修正。70年代M.Lax 更有詳細系統的分析。然而釋出“拓展”和“突破”，并沒有引用這些著名的工作， 似乎他們并不知道這些。重大突破不能建立在 “無知” 的基礎上。
讨 論
你怎麼看中科院院士拓展麥克斯韋方程組的工作？對于這一論文争議和後續的跟蹤，你更關注哪些問題？歡迎向《知識分子》來信（郵箱：[email protected]）或留言評論。
參考文獻：
[1] https://www.geograph.org.uk/photo/2174943
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/AvCHUPaMXU3xF6WNZqmgLA
[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S136970212100359X
[4]https://www.zhihu.com/question/511590823
[5]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.13.1777
[6]https://www.sciencedirect.com/science/journal/22112855
[7]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000137
[8]http://news.sohu.com/20091207/n268727637.shtml
[9]https://books.google.com/books?id=VyNYDwAAQBAJ&pg=PA306&lpg=PA306&dq=%E8%B5%9D%E7%A7%91%E5%AD%A6&source=bl&ots=yDMMIQjIKM&sig=ACfU3U36jDmllFlBHE-LF_Q8BFgH-jZoyg&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiBjbavjbj1AhWzJDQIHUPKDGsQ6AF6BAgdEAM#v=onepage&q=%E8%B5%9D%E7%A7%91%E5%AD%A6&f=false
制版編輯|盧卡斯