邓联文：对于无损耗机电系统，若割断与周围的联系就是一个保守系统，其储能及与储能相联系的保守力都是状态函数，两者都仅与系统的当前状

对机电能量转换的物理基础与时空能量论关系的理解与看法

邓联文

（中南大学物理科学与技术学院）

各种机电能量装置的作用和结构各有不同，但其基本原理类似，发生机电能量的转换都是由于电磁场和运动的载电物体（通常为载流导体）相互作用的结果。目前绝大多数机电能量转换装置都是以磁场作为耦合场的电磁式装置，工作原理基于：电磁感应定律、电磁力定律和能量守恒定律。

对于无损耗机电系统，若割断与周围的联系就是一个保守系统，其储能及与储能相联系的保守力都是状态函数，两者都仅与系统的当前状态有关，而与系统的历史及达到当前状态的路径无关。这是分析磁场储能和电磁力的重要依据。

一 经典电磁理论的局限性

诞生于19世纪的Maxwell方程组，曾经帮助20世纪的人们解决了电子学中的许多工程技术问题，极大地改变了人类的生活。然而它作为一种建立在经典物理和数学基础上的唯象理论，其不足之处也渐为人们认识。首先其理论欠严格，与现代数学＼现代物理学脱节；其次忽略粒子性，对场的完备性问题难以解决；这些问题在20世纪末的今天已突出起来。传统的Maxwell方程求解方法是否存在不能求解的问题?创立于19世纪后期的经典电磁理论，一方面反映出J．C．Maxwell，H．Hertz，O．Heaviside等大师的天才，同时又包含着他们所处时代的局限。指出Maxwell方程组的局限性是正确的，但对待这个问题存在着几种不同的角度或方式。

正如大家所知，经典电磁理论只在处理标量偏微分方程组时才呈现出严格性，但Maxwell方程组是矢量偏微分方程组，人们一直缺少解决方法。

对争论中的“电磁场完备性问题”，1998年，任晓雨在其博士论文中指出，有关矩形腔电并矢Green函数的争论源于对乙函数的不同理解——人们一直未认识到乙和M、N是物理意义不同的波函数(L满足的方程不是无源时电磁场的解，而另两个是)；他认为L函数只是一种数学工具。同年，任晓雨、宋文淼等在《微波学报》上发表论文，提出不计入L函数也许是正确的——虽然没有L函数的电磁场本征函数似乎不完备，但这可能正是电磁场本身的特性，即电磁波场在Euclid空间中本来就不完备?从物理意义上看，一种观点认为非奇异项就是所需的物理场，奇异项则代表非物理场或“伪模”。宋文淼则认为电磁场实际上包含了电磁波场(光量子场)和描述带电粒子间相互作用的场(虚光子场)，即不再忽略粒子性。总之，人们从不同角度对现有理论表明了看法。

1964年，P．A．M．Dirac在纽约的一次演讲中曾指出，关于 Maxwell方程组不精确成立的可能性是存在的。当人们进入到离电荷(它们产生了场)非常近的区域时，经典场论恐怕就要修改，因为在这里需要一种非线性电动力学。实际上Born—Infeld的电动力学正是基于一个不同的作用量积分对Maxwell理论作了修正——该积分在弱场时与Maxwell作用量一致，在强场情况下就不相同。 Born—Infeld的理论属于量子场论(或叫量子电动力学)，而在1964年时Dirac认为量子场论的成功还“非常有限、不断陷入困难”，人们必定要考虑电磁场波的量子化问题。在经典理论中，电磁场矢量的运动方程是Maxwell方程；在量子理论中，场矢量是作为算子来对待并受Maxwell方程支配。物理系统的状况由状态矢量代表。量子化系统描述中，Heisenberg图像是把本征矢量看作描述不随时间变化的状态矢量时形成的基底矢量。Schroedinger图像视状态矢量为时间函数，其运动方程则由Schroedinger方程规定。

虽然电磁波的量子化已不是新问题，量子电动力学也早已确立。但完全的量子化处理在理论上太复杂，故常用半经典法。电子学家们发现，现在常把Schroedinger方程介入到宏观电磁问题(金属壁波导、介质波导、光纤等)中来。工程技术人员对这个不太熟悉。因此，就经典(maxwell方程为基础)电磁理论矛盾缓解和解决电子学家工程技术问题理论工具而言，maxwell方程时代已经过去，需要依靠Schoedinge, Klein-Gordon, Dirac 相对论性波方程处理复杂电磁系统。

自然科学是实验科学。一个理论无论它多么高明并合乎逻辑，若无法由实验加以印证，终究是毫无意义的。实验与理论交互影响的结果，促进了科学的进步。先进精确的实验结果和理论之预测互相对照，终致产生新的理论，而此新理论又面临新的实验之挑战。如在近代电磁理论中均认为电子是没有体积的。在１９６０年之前，所有的实验均与这个理论的预测相吻合。１９６４年由哈佛大学与麻省理工学院建造完成一个大型电子加速器，并由哈佛大学与康乃尔大学在这方面的专家设计建造了一个高灵敏度的实验，求测量电子的大小。实验结果显示，电子是有体积的，它的半径是１０-14厘米。实验与原理的不相符合，证明了近代电磁理论的局限性。



二 宇宙理论与时空能量

根据宇宙大爆炸理论，星系连同其它所有的恒星和行星都产生于一个所谓有的奇异点。这个奇异点中集中了所有宇宙最原始的物质。 “大爆炸”理论最大的缺陷就是无法回答大爆炸之前这一奇异的点来源于何方？大爆炸理论存在了100多年了，但令人惊讶的是，这一理论的发展将把人们对宇宙诞生和灭亡的认识不可避免地引向神创说。

电磁宇宙设想--新兴的宇宙理论。近年来，我们关于电磁宇宙的设想则回答了诸多疑问。而电磁宇宙说的基本观点则体现在以下三个主要方面：第一，宇宙将永远存在；第二，宇宙间的所有物质在各种频率范围内都发生着能量交换--从超低频至超高频；第三，宇宙间的一切活动都是循环发生的(行星产生于黑洞，之后又浓缩成黑洞)并遵循着守恒定律 (能量、电荷、物质)。

电磁宇宙理论的基本观点是：宇宙是一个超环面系统，其中的众多星系都由宇宙磁场连接在一起，螺旋形的超环面宇宙磁场控制着所有的星系流。各个星系群由黑洞带隔开，而黑洞带则是孕育和产生星系之处，部分科学家称之为星系“产房”。

根据电磁宇宙理论，黑洞造就了两种星系类型，一种由由负电子和质子构成物质世界，另一种则是由正电子和反质子构成所谓反物质世界。正是这两个世界之间存在的巨大的物质和电荷差异形成了给予宇宙生命与发展的能量。

星系就是在宇宙磁场存在条件下诞生的，恒星系统和星系际物质的运动则形成了宇宙的强大电流。正如地球大气中雷雨天的放电现象，黑洞中的放电现象便成就了众多星系的诞生和死亡。如果说地球上的放电现象是瞬间完成的，那么黑洞的放电现象则要持续数十亿年并最终决定在我们的周围会形成什么样的世界。

电磁宇宙理论认为，宇宙中的大爆炸其实就是星系的诞生过程。由于宇宙间存在着数不清的星系，所以可以推测，宇宙间的大爆炸每时每刻都在发生，也就是说，宇宙间的星系诞生和灭亡每秒都在发生着。原子弹的爆炸就是这样一个实例。冷战时期，每次原子弹试爆时美国人安装在卫星上的传感仪器都会对爆炸进行观测。原子弹爆炸总伴随着中子辐射。令科学家们惊讶的是，每次爆炸后仪器都会记录下不间断的中子辐射。后来天文学家们的研究显示，宇宙间每个区域内时时刻刻都在发生着爆炸。

电磁宇宙理论的问世将使大爆炸理论随着时间的推移而被人们淡忘。因为物质和能量永远处于相互转换中，时间只不过是记录从一个事件到另一个事件的工具，事实上时间也是永恒的，生命的循环既没有始，也没有终。

能量以多种形式出现，包括辐射、物体运动、处于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变力。所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形式。宇宙中发生的绝大部分事件，例如，恒星的崩溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种形式。

能量的形式可以用不同的方法来描述。声能主要是分子前后有规律的运动；热能是分子的无规则运动；重力能产生于分隔物体的相互吸引。不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量的能量。在一个系统中不论发生渐变还是骤变，只要没有能量进入或者离开这个系统，那么系统内部各种能量的和将不发生变化。

事实已经证明，在分子或比分子更低的层次，能量与物质的产生是不连续的。当一个原子一个分子的能量由一个能级以一定的跳跃方式转变成另一个能级时，两种能级之间不可能有其他等级。这种原子水平的量子效应产生的现象与我们熟悉的现象大不相同。当辐射遇到原子时，如果辐射能够给以恰好的能量，原子的内能就能被激发到较高的能级。同样，当原子的能级下降一级时，就会产生一定不连续量的辐射能。所以，利用物质发出的光或吸收的光，可以鉴定是什么物质，以此来确定这些物质是在实验室里，还是在遥远恒星的表面上。

原子核反应所产生的能量，比原子外层电子结构间反应（即化学反应）所产生的能量要多得多。当重原子核，如铀核、钚核分裂成较重原子核时，以及当轻原子核，如氢核和氨核聚变成较重的核时，就会释放出大量的能量，变成辐射和快速运动的粒子。一些重核裂变时，同时产生了额外的中子，这些中子又触发了更多的原子核裂变，发展下去就引起连锁反应。然而，只有当原子核间以极高的速度撞击（克服了两枚之间的正电排斥力），才会发生核聚变，这种撞击需要的超高温，可在恒星的内部形成，或者通过核裂变爆炸产生。

1969年Penrose首先提出从黑洞能层提取旋转能量的设想，1977年Blandford和Znajek提出Penrose过程可以通过黑洞吸积盘系统中的大尺度磁场来实现。华中科技大学物理系的汪定熊研究了黑洞与磁场的相互作用及能量的提取，探讨了磁场提取黑洞旋转能量的两种机制： Blandford-Znajek机制和磁耦合机制。建立了上述两种能量机制的统一模型并采用改进的等效电路导出BZ过程和磁耦合过程提取黑洞旋转能量的功率表达式和力矩表达式。

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

能量特性是一切运动着的物质的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。因此，可以对能量做出全新的哲学定义。　能量：是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度。

　 在狭义相对论中，能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了，建立了质能关系公式：E＝mc2，这个公式更深刻地阐明了能量的物质性，表明两者存在某种深刻的联系。即质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。正如爱因斯坦而言：“质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间。”

质量与能量之间存在当量关系。在经典物理学中，质量和能量是两个完全不同的概念，它们之间没有确定的当量关系，一定质量的物体可以具有不同的能量；能量概念也比较局限，力学中有动能、势能等。在狭义相对论中，能量概念有了推广，质量和能量有确定的当量关系，物体的质量为m，则相应的能量为 E=mc2，相应于能量为E的物体质量为 E/c2；特别是静止的物体，静质量为m0，具有的能量为E0=m0c2 。质能关系是狭义相对论的最重要的结果。质能关系将物理学中原来不相干的质量守恒和能量守恒统一起来。在通常的反应中，系统释放出能量，系统内部的质量减小，减小的量是微乎其微的，与其静质量相比小得无法观测。但在核反应中，这一减小量则明显地表现出来。在裂变反应和聚变反应中，系统的静质量可观地改变，反应释放巨大能量。质能关系是核能释放的理论基础。


三 关于能量守恒定律

众所周知，相对论认为对于孤立系统，总能量守恒就是能量守恒，即，ΣE=常量，其实这是对能量守恒定律认识错误的结果，总能量守恒并不就是能量守恒，要说明清楚这个问题，就不得不从能量守恒定律说起。能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。

由此可知：1、能量守恒定律决不允许不同形式能量之间出现不等量转换，能量守恒定律的核心是能量只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，能量增加量＝能量减少量，且必需是所有形式能量都必需遵循这一原则（以后称之为等量转换原则），少一种形式能量都不行。2、能量总量不变只是一个结果，是所有形式能量遵循等量转换后的一个结果。值得注意的是：能量有多种形式，有动能、势能、势能、电能等等，且不同形式能量有不同的数学表达式。有可能还存在人们不知道的形式能量。

故此可得出：

一、ΣE=常量，只是保证总能量守恒或总能量增量守恒,并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必需遵守等量转换原则,在ΣE=常量中,不仅含有不同形式能量之间转换遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒,而且还含有不同形式能量之间转换不遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒。而根据能量守恒定律，能量的变化只能是不同形式的能量互相转化，在转化中每一种形式的能量转化为另一种形式的能量时，都要严格遵守等量转换原则，从而才能保证总能量守恒。
同理，单一（或二/三种）形式能量的守恒只能保证分析的这几种形式能量的转换遵守等量转换原则，并不能保证所有形式能量之间的转换遵守等量转换原则，也是不符合能量守恒定律的。
二、由能量守恒定律可得总能量守恒(总改变量守恒)以及形式能量之间等量转换,但由总能量守恒(总改变量守恒)以及几种形式能量之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。能量守恒定律与总能量守恒(总改变量守恒)以及几种形式能量等量转换是不能等同对待的。
三、功和能的关系—各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来量度，即功是能转化的量度。能量增量与各种形式能量之间关系—各种形式能量的转换遵循等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量，是此形式能量的增量，也是彼形式能量的增量。功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。

能量守恒的具体表达形式：

　　保守力学系统：在只有保守力做功的情况下，系统能量表现为机械能（动能和位能），能量守恒具体表达为机械能守恒定律。

　　热力学系统：能量表达为内能，热量和功，能量守恒的表达形式是热力学第一定律。

　　相对论性力学：在相对论里，质量和能量可以相互转变。计及质量改变带来能量变化，能量守恒定律依然成立。历史上也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定律。

　　总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化；系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量。

能量守恒定律的检验

　　任何物理学定律都需要经过严格的，反复的检验，特别是在把特定领域里发现的定律移植到其他相关领域的时候，往往会发生定律被破坏的情况，比如宇称守恒定律在弱相互作用和电磁相互作用中先后被实验打破。这是不以人的意志为转移的，即使是被人类社会广泛认同的定律，在没有经过严格检验的领域内，仍然不能一厢情愿地认为它是正确的。

　　焦耳在研究机械能和热能的基础上提出能量守恒定律，当时科学界还不了解电磁相互作用，所以能量守恒定律没有经过在电磁相互作用下的检验。我们知道，在一般情况下电磁能是符合能量守恒定律的，但是不能排除特殊情况下的例外，比如宇称守恒定律也曾经被证明在一般电磁相互作用中是正确的，但是后来被发现在Anapole的特殊结构中就不正确。由于电磁结构的多样性和复杂性，给物理学定律的检验带来很大的困难，导致这样的检验是漫长的，没有止境的。

我们可以说能量守恒定律在现有的知识领域内是正确的，但是如果说它在任何领域，任何情况下永远正确就不是科学研究者应有的态度。

综合上述认识，本人认为周老师基于“时空能量论”发现的“磁能放大现象”和“电能放大现象”，在质量与磁能互换基础上提出利用非平衡互感提取磁能发电的理论，从人们对微观世界的认识和对大到宇宙的宏观世界的认识过程来看，并从哲学思想层面分析，应该是可能的和可信的，值得从理论和实验方面深入研究探讨。理论工作和实验工作的突破将具有非同凡响的意义。