略谈防雷学术论辩的科学方法

通天雷神

略谈防雷学术论辩的科学方法

2007-4-20 11:30:30

《中国防雷》敢于同时刊登不同学术观点的文章，很值得提倡。本来这是学术刊物正常的做法，是百家争鸣方针的必然要求。可是当今国内绝大多数防雷杂志不肯这么做。这是国内学术腐败风气泛滥的共性。说穿了，是为了迎合广告商推销有害产品之需，与1996年“消雷器大争鸣”时相比，是大倒退！ 形势正在变化，国民经济大局亟需国家转变为自主创新型，靠学术垄断赚钱的腐败现象将成为过街老鼠。名牌大学的师生、学术刊物（包括物理学术刊物）开始介入防雷学术领域，关注防雷学术，说明防雷技术正在发展，防雷事业大有作为。为了提高防雷刊物和从事防雷研究工作者的科学水平，有必要联系大学的教学谈谈作科研、写学术论文应注意的科学方法问题，以尽可能避免受到一些错误概念和思维方法的误导。   1． 要欢迎不同学科领域的人参加防雷探讨 20世纪电力工程人员开始成为防雷领域的主角，创造了不少名词术语，如接地电阻、冲击接地……等等；有防雷专家扬言，没有学过几十本高压工程的书，就不要妄言防雷……；前不久一些人还在学术会议和刊物上表露：嫌物理教师多管闲事，插手防雷事务。 这使人联想起从1952年教育大革命和院系调整以来不断刮起的“物理无用论”之风，清华大学等名牌大学把理学院撤销了，办成纯工科院校。其后果是大学生的科学基础大大削弱，不会自主创新，只会采购和仿造外国的科技商品。陈寅恪早在1919年对这个问题就有独到见解：“今则凡留学生，皆学工程实业，……而不知实业以科学为根本，不揣其本而治其末，充其极，只成下等之工匠，境遇学理略有变迁，则其技不复能用。”1981年初邓小平接见任之恭院士，听取这位华裔学者对我国教改的建议，任老的第一个建议是：“中国的大学绝对必须把自然科学和工程科学结合。”邓于是下令清华恢复物理系，可是一些人硬是对抗中央命令，不予恢复，而是改办“现代应用物理系。”也是这些人1957年把钱伟长等名师和大批优秀学生打成右派，因为师生们主张理工合校。江泽民最敬重的年近百岁的老师顾毓琇写信给清华王大中校长：“惟念科学之‘基础’较‘现代应用’更重要，可否恢复‘物理系’原名。”笔者将此信转呈江泽民后，在中央干预下直至1999年清华才恢复“物理系”原名，2004年，82岁高龄的杨振宁重上讲台给大一学生讲物理课。这一切都表明：要使中国振兴，以科教兴国，就必须理工融合，以理论指导工程技术。1993年，在国家教委负责人张孝文支持下，笔者组织召开了全国工科院校物理教学研讨会，何祚庥院士详细介绍了研制“两弹一星”的全过程，在讲话中他透露，关键性工程技术都是王淦昌、彭桓武、赵九章、王大珩、钱学森、周光召…等著名物理学家解决的。他总结指出：①必须让所有大学毕业生认识到，凡遇到疑难问题，应请教物理学家。②物理教师应参加任何专业的科研，用物理学帮助他们解决难题。 还必须指出，雷电科学发展为一门现代科学，始自18世纪，迄今已有200多年，起主要作用的都是物理学家，始自富兰克林，而后是一批从事电学、大气电学和气体导电研究的物理学家，其中起关键作用的是Lord Kelvin和J.C.Maxwell。文献[1]有详细描述。20世纪从事防雷工程者没有什么突破性的进展，70年代航天器屡遭雷击之后，兴起了一股消雷器发明热，但没有正确运用Maxwell电磁场理论和许多物理基础科学原理，这是科学上的大倒退。恰恰是物理学工作者在他们所处的学科领域，对雷电科学作出了某些贡献。只举一例，被誉为中国“原子弹之父”的王淦昌院士在主持地下核试验中，考虑了防雷技术，完成这项重大高技术项目后，总结了实践经验。1993年2月，由留学归国的高频电子学家赖祖武编写、王淦昌主审、原子能出版社出版的一本重要科学著作《电磁干扰防护与电磁兼容》面世。王淦昌1940年就在浙大物理系任教授，主讲近代物理学和热学两门课，考虑到物理系的电磁学教材对Maxwell方程及其应用介绍得太少，他主动又加开了一门电磁波，相当于今天物理系的高级课程电动力学基础，这在浙大是破天荒第一次。听课学生不仅有物理系各年级的，外系学生也慕名前来旁听，超过本系学生好几倍，可见这位物理学教授理论水平之高超。他在1970年代研制核武器工程考虑防雷科技时，就突破电力工程师们的旧思维，把Maxwell电磁场理论运用于防雷，作出了重要贡献。因为21世纪已进入信息社会，雷击对象已转移到微电子器件、似稳电路的定律和概念都已失效。1996年王淦昌老看到全国“消雷器大争鸣”的状况后，语重心长地对大家说：应动员物理学工作者参加防雷界学术争论，帮助他们提高科学方法。   2． 学术争鸣中出现的违反科学方法论的种种现象        老清华物理系仅存在20多年（注：清华大学1926年成立物理系，1952年撤消该系合并到北大），毕业学生总共不过300多人，却培养出2名诺贝尔物理奖荣获者（李政道、杨振宁）和50多名院士，如王淦昌、赵九章、钱三强等在我国两弹一星高科技中起了决定性作用，这与该系创建人叶企孙院士及众多名师吴有训、萨本栋、赵忠尧、周培源、任之恭、孟昭英等的高水平教学紧密相关。叶企孙强调：大学教学不仅讲科学知识，更应授之以科学方法。可是1952年撤销物理系后，物理课不仅不讲授科学方法，连讲课教师本人也不懂科学方法甚至丧失了科学精神，分辨不清科学的真伪。这在一些自称为教授和博士生导师所发表的防雷论文中暴露出来。        首先是对理论与实验的关系、怎么进行实验方面错误百出。何祚庥主编的《伪科学曝光》[2]一书中揭露很多。该书引用了宋健（原国家科委主任）的原话：“任何科学假说和命题在未经得到科学验证之前，都不能作为制定国家政策和法令的根据。……科学研究允许假设，也可以失败，但决不允许弄虚作假。”朱光亚（中国科协主席，中国工程院院长）也说：“要向全社会广大干部和群众加大宣传科学精神、传播科学知识、科学方法、科学思想的力度，重点放在干部上”。     本文仅举极少例子，揭露众多论文在科学方法上的失误。 2.1  把闪电看作等效电路，用欧姆定律分析讨论 电工实验室中遇到的是稳恒电流条件下一维导线及金属元件组成的电路，这时欧姆定律成立，当然可以用各种等效电路简化，并用欧姆定律进行计算。闪电过程，电磁场迅速变化，位移电流不可忽视，电场不再是有位场，电位、电压等概念和欧姆定律失效了，怎么可以把三维大气电场简化为一维的稳恒电路呢？它的恒压源或恒流源是什么？怎么用实验测量？计算公式中电流是什么？怎么测？如何作实验证明论文作者这种等效电路假设是成立的？ 有些教授级高工做了补充，把大气电场视为似稳电路，对避雷针、引下线做了电感、电容的理论计算，然后求出什么阻抗之类。但是又犯了科学方法上的大忌。诺贝尔奖得主Feynman著的《费曼物理学讲义》指出：“电容的概念只有在静电平衡下成立。”在闪电过程中，永远不能达到静电平衡，怎么计算电容？在高频磁场中，电流有趋肤效应，电感也无法计算！所以在闪电击中避雷针过程中，用似稳电路概念及欧姆定律计算什么雷电压、雷电流的一套，都是脱离实际的妄言，不可能用实验检验！

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2.2  接地电阻的计算和测量

在文献[2]中，许多院士揭露，伪科学制造者的表演，决不是科学实验。真正的科学实验是允许任何人重复并得出完全一致的数据结果。当然，实验者所用的一切仪器仪表均必须由权威的计量机构查核通过。大家知道，测量电阻元件的电阻仪由国家计量科学院校核，它的读数是否准确，可以用标准电阻校核。而任何自称为接地电阻测量仪的仪表永远找不到校核的标准件，全世界都不存在。有家大厂拿出国家计量院发给的证书，可是这个证书是“伪”的，因为它的读数是用标准电阻核对的，标准电阻是供电工元件校核电阻值，并不是接地电阻的标准件，这是玩了狸猫换太子的把戏。1995年北京气象局和劳动部规定这个厂家的仪器作为国家标准出售，强令大家购用，经笔者指出后，这种仪表退出市场了。

既然迄今还没有任何测量接地电阻的合乎科学规矩的仪表，接地电阻这个物理量就不是一个科学的概念。产生这一现象的根本原因是创造这一术语的学者违反了科学方法^[3]。第一批当选为中科院数理学部委员（今称为院士）的清华物理系第10级毕业生胡宁著的《电动力学讲义》^[4]在一开始就讲科学方法论：“在科学发展和认识获得过程中，我们必须不断地把我们在一个特殊的、在一定条件下建立起来的自然规律推广到更普遍的情况里去，然后再把推广后所得结果和实验比较。”不少人发表的论文断言：“接地电阻可以准确测量，不准怀疑。”其理由是：①工程界已采用它百多年了，无人怀疑它的科学性。②欧姆定律应该推广，从元件的电阻，推广到大地的接地电阻是合情合理，现在测不准，只是暂时困难，可以通过不断改进总能解决的。这些人忘掉了或者是根本不知道科学方法论最重要原则：任何假设、学说都必须经过实验的检验！哲学里还有一条重要的真理：“实践是检验真理的唯一标准”！须知欧姆定律的建立是有条件的，它只适用于一维金属导体。何谓一维导体，即导体的横截面内电流方向完全相同，用同一个电流密度矢量J表征。在金属里自由电子密度极大，且是不随电场强度E而变，因此推导出的欧姆定律的微分形式必为J= γE，γ是一个标量常数，由此可知E与J的方向必相同，所以横截面必是等电位面，可以用一个电位U表征，这样任取一段导体来测量它的端电压V=U₁－U₂是确定不变的单一值。横截面面积用A表示，则I=JA，才有可能测得V/I=R，R必是确定不变的单一值。

下面看一个极简单的例子，取一块横截面很大的金属块来做实验，看看它是否遵守欧姆定律。(见图1)

 

大金属块的截面积用A_大表示，其两个端面用细导线连接到一个电池的正负极，细导线的截面积均用A_小表示，则必有I=J_小A_小=J_大A_大。

请注意，电流密度线在这块大金属块的两个端面处出现一个必有的现象，电流从细导线流入和流出金属块端面处发生一个突变，在端面各处的电流方向各不相同，均有平行于端面的方向的分量，然后才转变为互相平行，均匀分布达到在同一截面上J_大均相同。电流是由导体内的电场E推动的，各点均有J= γE这个关系式，显然在金属块端面处E必有平行于端面的分量。这样必导致两个端面各点的电位不相同。因此取一个电位差计测这两个端面的电位差U₁－U₂时，测量的探针放在不同地点，电位差计的读数可以大不相同，U₁－U₂＝V可以有许多值，则V/I不再是单一恒值！这么一个简单的实验，任何大学的普通物理实验室都可以让学生做一做，大有好处，可以理解科学方法论的涵义及其重要。为什么接地电阻不可测，只要做一做这个简单实验就懂了，因为大地是三维的复杂物体！

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1． 科学争鸣应遵守形式逻辑的基本要求 形式逻辑是一切人进行科学思维所必须遵守的。写学术论文也是这样，才能保证自己不犯科学上的错误，才能使人信服。大学讲授任何课程，必须先把科学术语的概念讲清楚，许多学生学不好，一个重要原因是把头脑中从生活、社会、文学获得的非科学概念与课程中的科学概念混淆起来，或者说犯了“狸猫换太子”的毛病，望文生义，这就没法学好科学。我常向人们举这样一个例子。原中央党校常务副校长、清华化学系1952级毕业生龚育之著《自然辩证法在中国》[5]记载了一个伟人的讲话：“本来说宇宙守恒，后来在美国的中国科学家李政道和杨振宁说它不守恒。质量守恒、能量守恒是不是也这样？”伟人也会犯错误，在大跃进时他提出过“人有多大胆，地有多大产。”就是由于他认为质量守恒、能量守恒可以修改，其逻辑推理似乎是来自李、杨的大发现。这里他把粒子物理学上有严格定义的“宇称”与日常用语中的“宇宙”等同起来了。 现在联系一些防雷论文来看，台湾大学物理系主任林清凉教授写的五巨册大学物理教科书是一套非常严谨的高水平学术专著，她与中科院物理史研究员戴念祖考察了应县木塔的建筑后，才提出了中国古代建筑的“绝缘避雷”机制[6]。一些狠批“绝缘避雷”的论文作者没有读这本好教材，弄清楚该书中详细描叙的事实和这4个字代表的物理概念，就乱写起来。例如有位1962年从清华工程物理系肄业的作者，把“绝缘避雷”说成了用绝缘膜包起来的办法，然后指责这个办法不可行，又昂贵，还举出美国高压实验室中汽车遭放电袭击的例子作证。另一名清华同一年代电机系毕业的作者到处发表文章赞美上述说法。这是他们在批判自己创造的“伪绝缘避雷”概念，与林清凉的“绝缘避雷”概念风马牛不相及。写这样的论文既无益于读者，又浪费自己和他人宝贵时间。至于闪电击中汽车的事多得很，绝缘轮胎不能阻挡闪电是毫不奇怪的，2001年首都机场一架飞机也接闪呢！北京气象局为机场安装18套昂贵的法国避雷针却没有接闪，这又是为什么？其实用物理学很容易说清楚，因为金属感应的面电荷会引起大气电场畸变，尖端附近的电场强度超过空气的击穿场强值，必产生向上的迎面先导，避雷针还未发生迎面先导，落地雷已击到飞机上了，这与飞机下有无绝缘轮胎无关。还可以举一个实例：今年1月15日信息产业部军工电子局在北京人大会堂举办等离子避雷技术应用推广大会，某集团军通信团参谋长介绍了该军130天野战演习中雷击通讯车的实况。三辆车采用等离子避雷技术，其它车辆采用传统的地钉接地引雷防护技术，结果是后者遭受过雷击，唯独那三辆车未发生雷击事故。 木塔不是金属，不会产生感应电荷，只能出现极化电荷，它不能移动到塔顶端形成面电荷分布，并会聚到尖端去，若地基是绝缘的，则广大导电地面的感应电荷不再能送到木塔顶端去，以引发上行先导。所以950年来，从未发生雷击塔的现象。

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4.  学术争鸣要与和谐社会相适应

在老清华年代，校刊常有学生措辞激烈批评师长的文章，老师都不在意。特别是在物理系，经常召开学术会议，欢迎学生参加，师生平等发言争论，畅所欲言，常争辩得面红耳赤，互不相让，可是会后师生职工间却和谐团结，亲如一家。拙著《一代师表叶企孙》^[7]和《中国科技的基石—叶企孙和科学大师们》^[8]均有详尽描叙。在人吃人的旧社会，叶企孙把他创建的清华物理系变成和谐小社会，这对于该系师生后来多数成为科技界著名精英，并且对“两弹一星”高科技作出大贡献有密切关系，而且他们把这种好风气传播到各校和科研机构，成为那里团结的核心，使那里的科教事业得到大发展。例如王淦昌老八十大寿时，科学出版社发行了一本纪念集《王淦昌和他的科学贡献》^[9]，浙大师生纷纷写文章赞誉他团结大家、一起促进科教事业发展的好作风，浙大被李约瑟赞誉为“东方的剑桥”。杨士林回忆说：“王老师不轻易训人，但对学术上的问题是毫不含糊，常与人争得面红耳赤，特别是与束星北老师两人在一起的时候，往往因物理上的问题而争论不休。这样，通过学术问题上的争鸣，他们之间的私人感情也越来越好。在他们的影响和引导下，物理系的‘物理讨论’课非常活跃，使很多物理系同学也对学术问题的争辩非常热烈。”附带说一下，王、束两教授是诺贝尔物理奖荣获者李政道最敬重的启蒙老师，李政道为了爱国抗日曾一度想弃学参加青年军，他俩劝阻了；李因意外车祸骨折，又是他俩出钱帮李政道治疗，照顾他，最后荐送他转学到西南联大物理系，得到叶企孙、吴大猷两位名师直接指导，李政道得以被破格荐送到美国成为费米的博士生。

学术争论理应是人们联合起来，为了共同的利益，同心协力去探索自然界规律。人与人之间关系也应该是和谐团结的。可是解放后，由于“左”的错误影响影响，使学术争鸣服务于阶级斗争的需要，通过所谓的学术批判，把对方斗倒斗臭。进入市场经济之后，有些人通过所谓的学术争论来垄断市场，为某一集团的经济利益效劳。这些都是错误的。必然破坏百家争鸣的方针和和谐社会的建立。

希望中国的学术界能继承解放前科技界爱国老前辈们的好思想、好作风，以和谐团结的精神进行学术争鸣。

文献资料

[1]  虞昊.现代防雷技术基础（第二版）.清华大学出版社，2005：1—22

[2]  何祚庥.伪科学曝光.中国社会科学出版社，1996：4—5，392

[3]  虞昊.接地电阻能否精确测量.大学物理，2006，9：10—13

[4]  胡宁.电动力学讲义.高等教育出版社，1957：1

[5]  龚育之.自然辩证法在中国.北京大学出版社，1996：102

[6]  林清凉、戴念祖.电磁学（二版）.台北市五南图书出版公司，2004：2—9

[7]  钱伟长、虞昊.一代师表叶企孙.上海科学技术出版社，1995

[8]  虞昊、黄延复.中国科技的基石——叶企孙和科学大师们.复旦大学出版社，2000

[9]  胡济民、许良英、汪容、范岱年.王淦昌和他的科学贡献.科学出版社，1987

通天雷神

清华大学物理系 虞昊  《中国防雷》

crazy

雷神,您好.好久不见了.

通天雷神

没有吧。我只不过比较忙啊兄弟。

ilyqlh

虞昊教授是比较激进的