真理越辩越明。

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[最主流] 电磁学的实验再检验（1）：坡印廷矢量（Poynting vector）只是一种数学抽象？

术语 terminology

坡印廷矢量： Poynting vector

费曼： Richard P. Feynman, Richard Phillips Feynman

费曼物理学讲义： The Feynman Lectures on Physics

电容器： capacitor

电荷： charge

被充电： be charged

磁导率： magnetic permeability

   本系列思考“电磁学的实验再检验”，是根据爱因斯坦、高斯等人“实验比逻辑更重要”的思想，呼吁对经典的麦克斯韦电磁学进行实体的物理实验再检验。毕竟 100多年之前的实验精度、稳定性等，无法和当代相比。这是人类科技未来发展的“放心工程”。

   例如，杨振宁博士 1978年 7月 6日在上海物理学会的演讲里讲到：“不过，我曾经把库仑的文章拿来看了一看，发现他写出的那个公式同实验的误差达到30％以上。估计他所以写这个公式，一部分是猜出来的，猜测的道理是因为他已经知道了牛顿的公式。”

https://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1357091.html

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SJKE197901000.htm

   欢迎全体老师们，以及任何人指教与本文有关的“物理实验”资料。温馨提醒：欢迎物理实验资料。历史上建立物理理论比较常见的成功路径：实体的物理实验 → 理想实验 → 数学公式。

   为了防止“非主流、民科”们说闲话，特地转引“最主流”的《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law/”。

   该词条里面赫然写道“电磁场理论的麦克斯韦方程组是在一些电磁学实验定律的基础上建立起来的，这些实验定律的精度和适用范围都难以言明”。

图1  《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law”局部截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

   昨天重复了三次，今天只重复一次吧！

   下面言归正传。

一、坡印廷矢量（Poynting vector）：数学抽象，还是物理实在？

   经典电磁理论中的坡印亭矢量（Poynting vector）是指电磁场中的能流密度矢量。

   电场强度为E、磁场强度为H的空间里，电磁场能流密度矢量为：

S = E × H

   “按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。”

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

   上面引用自《中国大百科全书》词条“坡印廷矢量/Poynting vector/”。

二、费曼物理学讲义（The Feynman Lectures on Physics）的电容器充电

27  Field Energy and Field Momentum 场能量和场动量

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

   But it tells us a peculiar thing: that when we are charging a capacitor, the energy is not coming down the wires; it is coming in through the edges of the gap. That’s what this theory says!

   How can that be? That’s not an easy question, but here is one way of thinking about it. Suppose that we had some charges above and below the capacitor and far away. When the charges are far away, there is a weak but enormously spread-out field that surrounds the capacitor. (See Fig. 27–4.) Then, as the charges come together, the field gets stronger nearer to the capacitor. So the field energy which is way out moves toward the capacitor and eventually ends up between the plates.

   【机器翻译】但它告诉我们一件奇怪的事：当我们给电容器充电时，能量并没有从电线上下来；它是从缝隙的边缘进来的。这就是这个理论所说的！

   怎么可能呢？这不是一个容易的问题，但这里有一种思考方法。假设我们在电容器上方和下方以及远处有一些电荷。当电荷远离时，电容器周围会有一个微弱但分布极广的电场。（见图27-4。）然后，当电荷聚集在一起时，电场在靠近电容器的地方变得更强。因此，向外的场能量向电容器移动，最终在极板之间结束。

图2  费曼 Fig. 27–4.The fields outside a capacitor when it is being charged by bringing two charges from a large distance.

图27-4. 当电容器充电时，相当于是由两个遥远电荷的电场进行充电的。

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f27-04/f27-04_tc_big.svgz

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

感谢有关老师们！

图3  费曼 1965年诺贝尔物理学奖照片 

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/

   还是上照片，照顾一下费曼的情绪吧！大家都不容易，做人要厚道。

三、判定实验的原理

   建议采用下述物理实验进行判断：坡印廷矢量（Poynting vector）：数学抽象，还是物理实在？

图4  2018-08-28，关于电磁场“场”概念的局限性、电荷能量的偶感

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1131501.html

   需要的电磁屏蔽室制作：

   电磁屏蔽设计，磁导率值越高，屏蔽效果越好。例如：纯度99.9%的铁，相对磁导率 350 000（35万）；镍铁钼超导磁合金 79Ni-16Fe-5mo，相对磁导率 1 000 000（100万）；非晶态合金 Co66-Fe4-B14_Si15-Ni1，相对磁导率 1 000 000（100万）。 

图5  工业磁性材料的相对磁导率

http://img.mp.sohu.com/upload/20170719/39c90bf9d24f4501bd16b6755c9025ef_th.png  

https://www.sohu.com/a/158391825_651160  

   为增加屏蔽效果，可以双层或多层屏蔽。即，在大体积的屏蔽室里，再放入小体积的屏蔽室。

3.1  电磁屏蔽室里的电阻发热

   对于直流和低频正弦交流电，同一根导线上串联两个相同的电阻。一个电阻处在自由的空间里，另一个电阻处在电磁屏蔽室里。

   假如能流真的是通过“场 Poynting vector”传播，电磁屏蔽室里的电阻发热应该会有所下降？

   交换这两个电阻，重复上面的实验。

   电磁屏蔽室，为一个可以打开的盒子。盒子上上留 3个小孔。为增加屏蔽的效果，可以将这些小孔用内壁粗糙的软铁管子进行改造。这些软铁管子可以按照螺线管方式回绕“360+180”度或更多的角度。

   其中 2个小孔刚好让导线穿过，用于将电磁屏蔽室里电阻接入回路。另一个用于接入该电阻发热的温度测量装置。

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1252052.html

3.2  电磁屏蔽室里，费曼的电容充电

   我们不妨假定爱因斯坦、高斯是比较“牛”的科学家。采用他们的实验观点，用物理实验判定一下前面费曼的说法。

   只把“被充电”的电容器放在“电磁屏蔽室”里，电路其它部分一律放在电磁屏蔽室外面。这样，费曼“Fig. 27–4.The fields outside a capacitor when it is being charged by bringing two charges from a large distance. 当电容器充电时，是由两个遥远电荷的电场进行充电的。”里外面的“two charges from a large distance 两个遥远电荷”的电场会被显著地削弱。

   该电容器还会被充电吗？

   实验原理细节可以参照上节的电阻发热。用电压表测量电容的两端电压。

――――――――――― 附录（爱因斯坦、高斯论“实验”的重要性，杨振宁演讲） ――――――――――

A1  爱因斯坦，人类历史上物理学家综合排行榜第二

   俺的偶像爱因斯坦（Albert Einstein）1933-06-10 在the Herbert Spencer lecture at Oxford 《On the Method of Theoretical Physics 关于理论物理学的方法》里说: “Pure logical thinking cannot yield us any knowledge of the empirical world; all knowledge of reality starts from experience and ends in it. Propositions arrived at purely by logical means are completely empty as regards reality. Because Galileo saw this, and particularly because he drummed it into the scientific world, he is the father of physics —— indeed of modern science altogether. 纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。就现实而言，纯粹通过逻辑手段得出的主张是完全空白的。由于伽利略看到了这一点，特别是因为他将其强力引入了科学界，因此他是物理学的父亲 —— 完全代表了现代科学。”

A2  高斯，人类历史上数学家综合排行榜第二

   当别人问高斯如何得到他定理，人类历史上数学家综合排行榜第二的高斯，毫不含糊地说：“…通过系统的、明显的实验。... through systematic, palpable experimentation. ... durch planmässiges Tattonieren.”：

https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Gauss/quotations/

   伟大数学家高斯在1830年给贝塞尔的信中写道：

   "We must admit with humility that, while number is purely a product of our minds, space has a reality outside our minds, so that we cannot completely prescribe its properties a priori. 我们必须谦虚地承认，虽然数字纯粹是我们头脑的产物，但空间在我们头脑之外有一个现实，因此我们不能完全先验地规定其性质。"

https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Gauss/quotations/

A3  杨振宁博士1978年7月6日在上海物理学会的演讲截图

图6  杨振宁老师1978年7月6日《从历史角度看四种相互作用的统一》的观点，杨振宁文集(上)，p.250，来自刘全慧老师博文。

https://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1357091.html

图7  杨振宁著 杨振玉等译. 基本粒子及其相互作用[M]. 1999，第 71 页截图

   杨振宁博士1978年7月6日在上海物理学会的演讲全文，请看：

   世界科学译刊编辑部. 从历史角度看四种相互作用的统一（根据杨振宁博士1978年7月6日在上海物理学会的演讲整理）[J]. 世界科学译刊， 1979, (01): 1-13.

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SJKE197901000.htm

参考资料：

[1] 2022-12-23，坡印廷矢量/Poynting vector/陈熙谋、陈晓林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

   按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。

[2] 2022-12-23，坡印廷定理/poynting theorem/于歆杰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=511222&Type=bkzyb&SubID=134126

[3] 27 Field Energy and Field Momentum - The Feynman Lectures on Physics

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

[4] Richard P. Feynman, The Nobel Prize in Physics 1965

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/facts/

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/

[5] Richard Phillips Feynman, MacTutor History of Mathematics Archive

https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Feynman/  

[6] 科学网，2012-06-27，丁肇中：我这一辈子做每个实验都有大量人反对

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/6/266143.shtm

   丁肇中说，他这一辈子做的每个实验都有大量的人反对。但科学的进展是多数服从少数，极少数人把大家的观念推翻了之后，科学才能向前走。所以科学不是靠投票解决的，可能一万人里有九千九百九十九人反对你，但不代表他们就是对的。

[7] 新华网，2023-05-21，诺贝尔奖获得者丁肇中：兴趣是科研的第一驱动力

http://www.news.cn/local/2023-05/21/c_1129634866.htm

   丁肇中说，实验是自然科学的基础。“理论不可能推翻实验结果，但实验可以推翻理论。任何理论，没有实验的证明就没有意义。实验推翻了理论，才能产生新的知识。”他说，“同时，做实验的人必须对理论有深刻的理解，才能做出有价值的实验。”

[8] 中国新闻周刊，霍思伊，2023-05-29，87岁丁肇中：科学就是多数服从少数 （发于2023.5.29总第1093期）

http://www.inewsweek.cn/people/2023-05-29/18654.shtml

   丁肇中说，“做新的事情总有人有不同的意见，不同的意见不是坏事。永远记住，人是向前走的，你不做，别人就会做，你就只能跟在别人后面。科学上的事情不能用投票来解决，我的每一个实验都遭到很多人反对，你去做，才能站到大家的前面。”

相关链接：

[1] 2023-07-12，[惊悚、惊喜] 原来我才是“最主流”：反思麦克斯韦经典电磁理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395113.html

[2] 2018-08-28，关于电磁场“场”概念的局限性、电荷能量的偶感

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1131501.html

[3] 2020-09-25，[讨论] 真空管里的自由电子、 玻印亭矢量

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1252052.html

[4] 2021-10-08，[呼吁] 电磁场基本概念与定律的高精度高稳定性实验再验证

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1307188.html

[5] 2022-05-16，[讨论] 电磁波会传递机械力或电磁力吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1338778.html

[6] 2021-01-13，[建议] 广泛重复自然科学各个学科中100多年前的那些经典实验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1267037.html

[7] 2022-06-02，[讨论] 从孟德尔“豌豆实验”到流体力学 Navier–Stokes 方程

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1341284.html  

[8] 2020-12-01，[建议] 重复孟德尔的生物学豌豆实验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1260648.html  

[9] 2014-11-28，[建议] 安培力定律（Ampère's force law）与洛伦兹力（Lorentz force）的高精度现代检验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-847051.html

[10] 2020-10-04，[优先权？] 中国人首先提出 SI 基本单位“安培”新定义？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253168.html

[11] 2022-06-25，[小结] 我们在物理学上的主要“创新点”（？）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1344493.html

[12] 2019-07-02，记忆：南开大学2008年《科学素质教育课程骨干教师高级研修班》

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1187783.html

[13] 2023-04-04，[讨论，备课，答疑] 谐振，存在就是被感知？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1382993.html

[14] 2022-10-12，[答疑，备课，坍缩] 正弦量合情合理地变成相对静止的矢量，一点也不奇怪

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1359135.html

[15] 2010-03-10，逻辑方法的局限性：元知识、乌龟塔与盲人摸象

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-301534.html

[16] 2010-03-09，逻辑方法的局限性：Gödel incompleteness theorem和Chaitin theorem

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-301287.html

[17] 2022-09-19，[？？？] 热血沸腾之后，更是“耗尽/耗干”后的无奈（关联资料“集成电路”，诺伊斯 Robert Noyce）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1356020.html

[18] 2022-07-26，[汇报] 近十多年的时间、精力状态（欠佳）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1348843.html

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