電磁學(xué)四大基本定律被證偽？警惕“顛覆成熟經(jīng)典理論的研究”

最近，一則題為《電磁學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)四大基本定律被證偽》的新聞闖進(jìn)我們的視線。文中稱，某博士耗資1500多萬人民幣、歷時(shí)兩年研發(fā)新型電機(jī)，卻完全失敗了。于是，他懷疑電機(jī)所依據(jù)的兩大電磁學(xué)定律以及另外兩大電磁學(xué)定律的正確性，進(jìn)而得出了顛覆性的“新發(fā)現(xiàn)”……

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

我們來看看報(bào)道中這個(gè)長句：

依據(jù)載流導(dǎo)體在磁場中受力這一安培定律和導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電動勢這一法拉第電磁感應(yīng)定律開發(fā)新型電機(jī)的工程完全失敗了。

貌似很不好懂的一大堆，意思是什么呢？其實(shí)這里牽扯到的是高中階段的物理知識：經(jīng)典電動機(jī)的基本原理都是安培力定律（注意，不是安培定律），經(jīng)典發(fā)電機(jī)的基本原理都是法拉第電磁感應(yīng)定律。因此，把前述結(jié)論總結(jié)一下，就是：

依據(jù)經(jīng)典原理開發(fā)新型電機(jī)的工程完全失敗了，所以電磁學(xué)經(jīng)典理論一定有問題。（因?yàn)檫@話是不對的，所以加了刪除線）

那么這個(gè)結(jié)論可信嗎？看到我特意加了刪除線，你一定能猜得到，不對。實(shí)際上，讀了相關(guān)論文，感覺作者處于電磁學(xué)剛?cè)腴T時(shí)懵懵懂懂好奇探索的狀態(tài)，讓我回憶起自己剛學(xué)了點(diǎn)電磁相關(guān)理論卻怎么也做不對題的時(shí)光……所以今天我們不浪費(fèi)時(shí)間在批駁論文上，這里要討論的重點(diǎn)是，遇到科學(xué)領(lǐng)域“大新聞”的時(shí)候，如何培養(yǎng)“快速識別是否靠譜”的直覺，以免浪費(fèi)寶貴時(shí)間。

還沒反思技術(shù)細(xì)節(jié)

就挑戰(zhàn)經(jīng)典理論的新聞

科學(xué)在每個(gè)問題上都追求最簡模型。我們中學(xué)時(shí)代做物理題時(shí)，常常假設(shè)摩擦力為零、導(dǎo)線電阻為零、滑輪自重為零、真空絕無氣體、容器完全隔熱、絲線無比堅(jiān)韌、數(shù)值絕對精確、重力場電場磁場完全均勻。這些都是科學(xué)世界里的理想模型。

所謂理想模型，現(xiàn)實(shí)中當(dāng)然做不到，真正到了技術(shù)應(yīng)用的時(shí)候，就會遇到磨損問題、阻尼問題、能耗問題、散熱問題、噪聲問題、材料疲勞問題、儀器精度問題等等，達(dá)不到理論計(jì)算的結(jié)果簡直太正常。

這時(shí)要努力完善設(shè)計(jì)，消減誤差干擾，發(fā)起同行評審，而不是隨口說什么“我扔出一個(gè)小球，動能和勢能都大于零，而小球最后停下來了，動能和勢能都?xì)w于零，所以我推翻了能量守恒定律”。

從日常生活到高端科技，從住宅用電到工業(yè)生產(chǎn)，這些電磁學(xué)定律及其衍生的各種產(chǎn)品早已得到億萬人的無數(shù)次反復(fù)驗(yàn)證。如果這時(shí)候一個(gè)人研發(fā)失敗，就好比上實(shí)驗(yàn)課，周圍同學(xué)都做得出來，唯獨(dú)他做不出來，這能說明實(shí)驗(yàn)演示的原理有錯么？不能，他需要自查自糾，好好看看自己的環(huán)境、儀器、材料、步驟出了什么問題。

回到這次的事件，就算依據(jù)經(jīng)典原理開發(fā)新型電機(jī)的工程完全失敗了。那么也應(yīng)該先去檢查“新型”新在哪里，改了什么，可能有哪些影響因素，其他人為什么能做出來，而不是先去質(zhì)疑原理。

即便是資深內(nèi)行人，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度做實(shí)驗(yàn)，都難免出現(xiàn)各種意想不到的技術(shù)問題，甚至鬧出烏龍。以2011年的OPERA實(shí)驗(yàn)為例，這次實(shí)驗(yàn)疑似發(fā)現(xiàn)中微子超光速，似乎對狹義相對論提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于確實(shí)是專業(yè)人員操作精密設(shè)備，并進(jìn)行了基本的驗(yàn)證，加上當(dāng)時(shí)對中微子的了解太少，因此科學(xué)界嚴(yán)肅地考察了此次發(fā)現(xiàn)，可惜最終更細(xì)致的調(diào)查卻發(fā)現(xiàn)是設(shè)備中一處光纜連接松動造成了通信延遲，結(jié)果兩位團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者引咎辭職。

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不要輕信顛覆

成熟經(jīng)典的新聞

經(jīng)典理論之所以成為經(jīng)典，是因?yàn)榻?jīng)歷了無數(shù)人的嚴(yán)厲審視和周密補(bǔ)全。我們以引力為例來說明這一點(diǎn)。

最初，亞里士多德（他是真實(shí)存在的）論證出大地是一個(gè)球體，并且地球位于宇宙中心，土元素和水元素有向宇宙中心聚攏的趨勢，所以在每個(gè)位置，都以地心為“下方”。這樣住在另一面的人不會掉出去。在當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平下，亞老師的理論能夠解釋已知事實(shí)。所以，在“地球是宇宙中心”的公設(shè)下，他的樸素重力理論存活了很久，并且地圓說還在麥哲倫船隊(duì)這里得到了驗(yàn)證。

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但是開普勒定律確認(rèn)了日心說，推翻了地心公設(shè)，所以“另一面的人為何不會掉出去”又成了問題，但牛頓的萬有引力定律很快補(bǔ)全了這塊拼圖。

萬有引力定律能輕松解釋水金地火木土六大行星的運(yùn)行周期和開普勒總結(jié)的橢圓軌道——如果再有一顆新行星來驗(yàn)證它就更好了。天王星就提供了這樣的驗(yàn)證機(jī)會。

在對天王星的觀測過程中，人們一邊感嘆牛頓引力理論的正確性，一邊又發(fā)現(xiàn)天王星運(yùn)行得有點(diǎn)不太符合預(yù)期。但如果堅(jiān)持引力理論，就得承認(rèn)天王星外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的大行星。好在，天文學(xué)家按照預(yù)測結(jié)果去尋找，果然找到了海王星。這是萬有引力理論的輝煌勝利，也是科學(xué)方法的輝煌勝利。

而天文觀測還發(fā)現(xiàn)，木衛(wèi)進(jìn)出木星陰影的時(shí)間，會隨著木星遠(yuǎn)離地球而逐漸滯后。如果堅(jiān)持引力理論，就可以推斷“光速有限”，定量計(jì)算光速，與基于麥克斯韋方程推算（又是另一個(gè)故事）的電磁波速度對照，猜想出“光是一種電磁波”。

至此我們可以體會到，牛頓的萬有引力定律能夠解釋已知事實(shí)、能夠得到驗(yàn)證、能夠作出預(yù)測，這是科學(xué)方法和一拍腦袋的重大區(qū)別。它甚至跨界到電磁學(xué)獲得成功，到了這一步，再想挑戰(zhàn)牛頓萬有引力定律就很艱難了。可想而知，愛因斯坦提出廣義相對論，重塑對引力本質(zhì)的認(rèn)知，是多么不易。而廣義相對論不但兼容牛頓引力理論對普通物體的定量計(jì)算，還能成功解釋水星近日點(diǎn)進(jìn)動問題（牛頓引力理論難以解釋的一個(gè)痛點(diǎn)）。它還預(yù)測了光線彎折、時(shí)間延緩、黑洞和引力波現(xiàn)象，并逐一得到證實(shí)。但即便如此，我們也不能簡單地說廣義相對論“推翻”了牛頓關(guān)于引力的理論，只能說廣義相對論比牛頓的引力理論更加精確，且對引力的描述更加本質(zhì)。

圖片來自新華社視頻截圖

因此，經(jīng)典長久屹立，有牢靠的理由，并且一代站得比一代穩(wěn)。所以我們說，對“顛覆經(jīng)典”的報(bào)道不要輕信。

不要輕信

只破不立和自創(chuàng)術(shù)語的新聞

有很多“新發(fā)現(xiàn)”只宣稱推翻了某某理論，卻不提出新的觀點(diǎn)。比如開頭提到的那種——既然顛覆了電磁學(xué)，那么請問你的替代理論是？使用經(jīng)典理論開發(fā)失敗，那么使用你自創(chuàng)的新理論成功了嗎？如何讓大家認(rèn)為你的證偽可信呢？如果沒有下文，這種新聞就不能輕信。

還有一些“科學(xué)家”熱衷于自創(chuàng)體系，發(fā)明術(shù)語。術(shù)語的概念十分含糊跳躍，與其說他是在研究科學(xué)，還不如說是在研究語言學(xué)、哲學(xué)乃至玄學(xué)。如果連“質(zhì)量”“長度”“時(shí)間”這些基礎(chǔ)概念乃至數(shù)學(xué)工具都無法取得穩(wěn)定共識，那就失去了交流基礎(chǔ)。

結(jié)語

前面說的這些，用詞都是“不要輕信”，而非“不要相信”?？萍荚诓粩喟l(fā)展進(jìn)步，在未知領(lǐng)域和“已知”領(lǐng)域都可能刷新認(rèn)知、收獲新知識。例如引力波，過去沒有條件探測，而隨著技術(shù)進(jìn)步，就有條件觀測了。未來或許還會開發(fā)出放置在太空中的引力波測量系統(tǒng)，獲得更高的精度和靈敏度，做出更多前沿發(fā)現(xiàn)。

另外再啰嗦幾句促進(jìn)理解的溫柔話。民間科學(xué)家對正統(tǒng)科學(xué)家——姑且這么稱呼吧，便于理解，無褒貶義——的一個(gè)誤解是：他們以為后者想維護(hù)科學(xué)成果，會為已有理論被推翻而恐慌。其實(shí)科學(xué)家晝思夜想、殫精竭慮的，誰不想漂亮地推翻現(xiàn)有的理論啊，科學(xué)家想維護(hù)的，無非是科學(xué)方法罷了。假如一個(gè)理論真要被推翻了，研究新理論就意味著更多的機(jī)會，科學(xué)家高興還來不及呢。

本文為科普中國-星空計(jì)劃作品

出品丨中國科協(xié)科普部

監(jiān)制丨中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨曲炯 科普作者

審核丨劉茜 北京天文館研究員