对麦克斯韦方程组的批判

对麦克斯韦方程组的批判摘要麦克斯韦方程组在电磁学领域具有崇高的地位，很多人不吝赞美之词，但是，它却是错误的，错误的原因就是“位移电流”和“涡旋电场”这两个假设，这两个假设的根据是以太，但以太与电磁场没有任何关系。麦克斯韦方程组的来源是高斯定律、安培定律、法拉弟定律，而且是这三个定律的扩展，但位移电流和涡旋电场这两个基于以太的假设并不符合这三个定律，而且没有任何的实验可以证明这两个假设。关键词：麦克斯韦方程组，电磁场，电磁波，以太引言1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律已被总结出来，1855年至1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生，其方程的微分形式可表述为：，除了上述四个方程外，还需要有媒质的本构关系式D=εE，B=μH，J=σE。对于麦克斯韦方程组，学界的评价很高，称之为“最美的公式”、“最美的方程”，学界认为：麦克斯韦方程的提出对物理学产生了深远的、革命性的影响，为后来的电磁学发展奠定了基础，并为电磁波的发现和无线通信技术的发展提供了理论支持。这一理论将电磁现象与光联系起来，认识到光是一种电磁波，从而推动了光学领域的进步。此外，麦克斯韦方程也为后来的相对论、量子力学等领域的发展奠定了基础，然而，实际并非如此。方程组的错误麦克斯韦方程组包括四个方程，但只有第三和第四个方程是正确的，这两个方程实质上就是高斯定律，而且没有实质性的变动，也是经过实验证明过的。但是，第一和第二个方程并不正确。第一个方程的错误麦克斯韦方程组中的第一个方程是由安培环路定律推广而得的，安培环路定律可描述为：在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，可表示为：。但是，安培环路定律并不是在任何条件下都成立，它成立的条件为无限长直导线，如果导线不是无限长或者不是直的，定律就不成立。安培环路定理可以由毕奥－萨伐尔定律导出，在任何条件下都成立的只有毕奥－萨伐尔定律。第一个方程是安培环路定律的推广，但却使安培定律产生了本质的变化，在无限长直导线的条件下，安培环路定律是成立的，是经过实验验证的。但是，第一个方程增加了一个位移电流假设∂D/∂t，就不再是安培环路定律。位移电流假设的根据是以太，麦克斯韦相信以太的存在，并提出了电磁以太模型，认为在空间存在着以太，电磁场只不过是以太的激发态。麦克斯韦把磁感应强度Ｂ比做以太的速度（后来改成磁场代表转动而电场代表平动），并认为位移电流是真实的电流，但是，位移电流假设并没有任何实验证据。麦克斯韦的位移电流假设也引起了很大的争论，最先否定位移电流假设的是RosserandG.V.W.[1]，北京大学物理系的赵凯华教授[2]直接否定了位移电流产生磁场，特别是清华大学物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句话：“直接论证了位移电流不激发磁场”，苏景顺、谢革英[4]也从理论上证明了位移电流不能产生磁场。类似的文章还有很多，例如：朱久运[5]、李元勋[6]、江俊勤[7]等教授都是这个观点，因此，麦克斯韦所提出的位移电流假设很可能是不成立的，在任何条件下都成立的只有毕奥－萨伐尔定律，或者说，没有真实的电荷移动，就没有磁场，或者说，变化的电场不能产生磁场。第二个方程的错误第二个方程来源于法拉第电磁感应定律，但已经改变了法拉第电磁感应定律的本质。法拉第定律可以描述为：在导体的环路内，其感应电动势与磁通对时间的变化率成正比：ε=-dφ/dt。但是，在麦克斯韦方程组内，它却变为∇×E=-dB/dt。表面上看，这种变化是等价的，但是，它的物理意义却发生了本质的变化，形成电动势的原因是电子在洛仑兹力的作用下产生的运动，但电子的运动并不是由电场力产生的，或者说，变化的磁场根本就产生不了电场！真理往前再跨一步就会成为谬误，法拉弟定律的前提条件是：导体回路，如果没有这个条件，法拉弟定律也不成立，但是，麦克斯韦直接把这个条件去掉了，这个方程还能成立吗？在导体回路中，产生感生电动势的原因是洛仑兹力的作用，并不是电场的作用，如果没有导体中的自由电子，无论磁通量如何变化也不可能产生出电场。因此，麦克斯韦的这个方程在没有导体回路时并不成立，你在真空中无论如何挥动磁铁，也不可能产生出电场。曾清平教授[8]在《大学物理实验》杂志上连续发表了十篇关于法拉弟感应定律的文章，他在文章中明确指出：“时变磁场不能产生电场，麦克斯韦的磁生电是错误的，感生电流的产生都是洛仑兹力的作用结果”。可惜的是：没有引起学界的重视。举例说明下面以无限长直导线为例，说明方程组为什么是错误的。P如图1所示，CD表示无限长直导线，P是导线外的一点，与导线的距离为d，导线内的电流为i。P图1.无限长直导线外的电场和磁场当导线内的电流为直流时，P点的轴向电场强度为0，磁场强度可以用安培环路定律求出：H=i/2πd，方向与电流方向垂直。如果导线不是无限长、或不是直的、或P点到导线的距离与导线长度可比拟，安培环路定律都不成立。当导体内的电流为交流时，假设电流强度为i(t)=I0cos(ωt+Φ)，则P点的磁场强度就不能再用安培环路定律求出（或者说麦克斯韦方程组不成立），只能用毕奥-萨伐尔定律求出，因为导线中各点的电流强度不再是一个常数。P点的磁场强度不但与时间相关，而且与电流的相位相关，或者说，在同一时间点，与导线距离相同的点，其磁场强度并不相同。另外，P点的电场强度也不再为0，其方向与导线平行，产生的原因并不是由于磁场强度的变化，而是由于导体内自由电子密度的分布不均引起的。电场强的决定式E=kq/r2成立，P点的电场强度就是各个电荷所形成电场的叠加，但是∇×E=-∂B/∂t并不成立，因为电场并不是涡旋的，它的大小与导线中电流的变化率有关。可以看出：电场是由电荷产生的，变化的磁场并不能产生电场，磁场是由运动的电荷产生的，没有电荷的运动就没有磁场。为什么会得到公认？既然麦克斯韦方程组的前两个方程都是错误的，为什么会得到大家的公认呢？其主要的原因是：由于科学界把以太否定了，又必须给出电磁波的形成原因，为此，科学家们相信了麦克斯韦的两个没有经过实验证明的假设（除以太假说外，也没有其他的假说）。本文认为：人们相信电磁波是运动的电磁场是否定以太后的无奈之举，人们也相信了地心说一千多年，在科学的历史上并不奇怪。实际上，经过实验证明的定律主要有毕奥-萨伐尔定律、库仑定律、法拉弟定律（安培环路定律是在假设导线无限长的条件下从毕奥-萨伐尔定律推导出来）。我相信：随着科技的发展，人们将会认识到电磁波就是以太介质中的波，与电磁场无关。电磁场与电磁波没有关系第三个方程第三个方程是正确的，实际上就是磁高斯定律，是经过实验总结出来的。它的物理意义是：磁场的散度为0，或者说磁力线是闭合的。第四个方程第四个方程也是正确的，是经过实验总结出来的高斯定律。它的物理意义是：电场的散度与电荷的密度成正比，或者说电场是由电荷产生的，没有电荷就没有电场。电磁场与电磁波没有关系在我们的教科书中，认为“变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，电磁波就是运动的电磁场”，其方式如图2所示。图2.教科书中描述的电磁波但是，这种描述电磁波的方法，严重违反了麦克斯韦方程组中的第三和第四个方程，根据第三个方程，磁力线必须闭合，因为它的散度必须为0，根据第四个方程，在没有电荷的空间中，电场的散度也必须为0。在教科书中还有一种描述电磁波的方式如图3所示：图3.教科书中描述电磁波的另一种方式但是，这种方式也无法正确描述电磁波，我们知道：在空间电磁波中的任何一点，电场强度E与磁场强度H的关系是线性关系：E=ηH，其中，η表示波阻抗。E和H是同相位的，同时变大或变小，变化的电场如何产生磁场？变化的磁场又是如何产电场？如果二者能够互变，二者的相位必须正交（相位相差90度）。之所以我们认为电磁波就是运动的电磁场，还有一个原因：把交变的电磁场当作是唯一使电子产生振动的动力。交变的电磁场确实能使电子产生振动，但并不是唯一的，电磁波不但能使带电粒子产生振动，而且能使任何粒子产生振动。总之，电磁场与电磁波没有关系，电磁场是“场”，而电磁波是“波”，二者是完全不同的物理概念。媒质的本构关系真空磁导率μ和介电常数ε，是麦克斯韦为了把电磁场与电磁波建立联系而引入的，但是，这两个参数在方程组中却没有任何物理意义，如果真空中什么都没有，真空磁导率代表什么？真空介电常数又代表什么？然而，这两个参数在表达电磁波的速度时却具有明确的物理意义，根据波速的定义，μ代表介质的密度，而ε代表介质的体积压缩系数。可见，电场和磁场与电磁波根本无法联系上，可以说，正是麦克斯韦企图建立电磁场与电磁波的关系，才使电磁波的理论走入了歧途并错误地抛弃了以太[9]。从麦克斯韦方程到波动方程用麦克斯韦方程组可以推导出波动方程，这也是人们承认麦克斯韦正确的原因之一，但是，从两个错误的假设推导出的波动方程只不过是数学上的游戏，并不足以证明它的正确性。波动方程的解可表示为：E=E0cos(ωt-x/c)，或H=H0cos(ωt-x/c)，其中，c表示波速，但是，波动方程的解并不满足第三和第四个麦克斯韦方程，说明波动方程的解并不是麦克斯韦方程组的解。结论麦克斯韦方程组中，前两个方程是错误的，错误的原因是“位移电流”和“涡旋电场”都不实际存在。参考文献[1]Rosser,andG.V.W.."Doesthedisplacementcurrentinemptyspaceproduceamagneticfield?."Am.j.phys44.12(1976):1221-1223.[2]赵凯华.位移电流不激发磁场简例[J].大学物理，2001,20(6):40-40[3]高炳坤.对《位移电流不激发磁场简例》一文的补充[J].大学物理,2002,21(9):30-31.[4]苏景顺,谢革英.似稳条件下位移电流不激发磁场的证明及其例证[J].河北建筑工程学院学报，2007,25(4):3[5]朱久运.关于位移电流激发的磁场[J].大学物理，198