On a recent explanation of the dynamics of the Meissner effect within the conventional theory of superconductivity

本文驳斥了马克科斯和赫卢比纳关于常规理论描述迈斯纳效应动力学能力的论点，指出了他们推理中的缺陷，并提出了一项实验以进一步探究该问题。

要点

以下是用通俗语言和日常类比对该论文的解读。

宏观图景：关于“魔术”的分歧

想象一个置于磁场中的金属圆柱体。当你将这个金属冷却成为超导体时，它会施展一个名为迈斯纳效应的“魔术”：它突然将磁场从其内部踢出，仿佛该磁场从未属于那里。

几十年来，物理学家一直使用一套标准规则（“传统理论”）来解释这一现象是如何发生的。然而，本文作者J.E. Hirsch多年来一直主张，这套标准规则遗漏了谜题中的关键一环。他声称，传统理论描述了发生了什么，但没有解释在物理上是如何发生的。

最近，另外两位科学家Markos 和 Hlubina发表了一篇论文，声称他们证明了传统理论实际上是正确的，而 Hirsch 的反对意见是错误的。

本文是 Hirsch 的反驳。 他论证 Markos 和 Hlubina 犯了一个致命的逻辑错误，未能解释实际涉及的力，并提出了一项新实验以彻底解决这场争论。

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核心冲突：“幽灵力”

要理解这场争论，我们需要看看双方是如何看待这个“魔术”的。

1. 标准观点（Markos 和 Hlubina）

Markos 和 Hlubina 说：“我们可以写下一个数学方程，假设超导体逐渐‘开启’。如果我们将其代入我们的数学计算中，磁场自然会向外被推挤。因此，传统理论是有效的。”

Hirsch 的类比：
想象你正在观看一位魔术师让一只兔子从帽子里消失。

• Markos 和 Hlubina说：“我写了一个剧本，上面写着：‘在时间 0，兔子在那里。在时间 10，兔子消失了。’既然剧本在纸上行得通，魔术就被解释了。”
• Hirsch说：“那只是个剧本！你还没告诉我兔子如何消失的。它是跳走了？缩小了？还是瞬移了？你的剧本假设兔子消失了，却没有解释物理机制。你只是在描述结果，而不是原因。”

Hirsch 认为，Markos 和 Hlubina 的数学依赖于一种“幽灵力”——一个使电子移动以踢出磁场的数学项，但这种力在现实世界中并不存在（像重力或磁力那样）。这只是一个数学把戏，而非物理现实。

2. Hirsch 的观点

Hirsch 论证，为了将磁场踢出，电荷必须物理地向外移动（就像水被从管子里推出来一样）。他认为传统理论忽略了这种必要的电荷运动。他还论证，为了让电子停止运动并将动量转移给金属本体而不产生热量（耗散），电子必须表现得好像具有“负质量”，而传统理论并未包含这一概念。

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为什么 Hirsch 说他们的答案行不通

Markos 和 Hlubina 试图回答 Hirsch 提出的四个具体问题。Hirsch 表示，他们的回答就像是在“回避问题”。

1. 问题： “是什么力推动电子开始运动？”

   • 他们的回答： “我们的方程说它们开始运动了。”
   • Hirsch 的反驳： 那是同义反复（说了两遍同样的话）。你不能只说“数学说它发生了”。你必须识别出物理推力（力）。他们没有做到。

2. 问题： “如果电子移动，它们会产生一个应该阻止它们的电场。为什么它们没有停下来？”

   • 他们的回答： “我们的方程有一个特殊项，可以覆盖阻止力。”
   • Hirsch 的反驳： 那个特殊项又是“幽灵力”。它不对应任何真实的物理相互作用。

3. 问题： “金属本体如何在没有摩擦的情况下向相反方向旋转？”

   • 他们的回答： “电子撞击杂质以转移动量。”
   • Hirsch 的反驳： 撞击杂质会产生热量（摩擦）。该过程需要是无摩擦的（可逆的）才能在热力学上成立。他们的解释违反了热力学定律。

4. 问题： “当超导体变回普通金属时，能量去了哪里？”

   • 他们的回答： “我们无法计算细节，但我们假设它是有效的。”
   • Hirsch 的反驳： 他们承认无法解释“动力学”（逐步过程）。如果你无法解释能量如何在没有热量的情况下移动，你就没有解决这个问题。

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拟议的实验：“空心圆柱”测试

为了证明谁是对的，Hirsch 提出了一项涉及空心圆柱的具体实验。

实验设置：
想象一个实心金属圆柱体，其正中心有一个微小的空洞（空腔）。你将此置于磁场中并冷却使其成为超导体。

预测（传统理论 / Markos & Hlubina）：
他们预测磁场将被踢出整个圆柱体，包括中间那个微小的空洞。磁感线将围绕外部弯曲，使内部（以及空洞）完全 devoid 磁性。

• 类比： 这就像一种力场将水从桶里推出去，即使桶里有一个微小的气泡。气泡会被挤压变干。

预测（Hirsch 的理论）：
Hirsch 论证这是不可能的。为了将磁场从某个区域踢出，你需要将电荷从该区域推出去。

• 问题： 中间那个微小的空洞是空的。空洞内部没有电荷可以被推出去。
• 结果： 因为没有电荷可以移动，磁场无法从空洞中被排出。磁场将被困在空洞内，而周围的金属将保持“正常”（非超导）状态以容纳它。
• 类比： 你无法将水从气泡中推出去，因为那里没有水可推。超导体的“魔术”在那个特定位置失效了。

赌注：

• 如果实验显示磁场从空洞中被排出，Hirsch 是错的，传统理论是正确的。
• 如果实验显示磁场被困在空洞中，Hirsch 是对的，传统的超导理论存在根本缺陷，需要重写。

总结

Hirsch 本质上是在说："Markos 和 Hlubina 擅长做数学，但他们忽略了物理。他们在描述一个魔术，却没有解释机制。我有一个不同的理论，依赖于真实的力和电荷运动。让我们用空心圆柱来测试一下，看看教科书所说的‘魔术’是否真的按那样运作。”

技术摘要

技术摘要：对 Markos-Hlubina 关于迈斯纳效应动力学解释的批判

问题陈述
本文针对 Markos 和 Hlubina（MH）近期提出的挑战进行回应，该挑战质疑作者长期以来的论点，即常规超导理论无法描述迈斯纳效应的动力学过程。作者 J. E. Hirsch 此前曾论证，金属从正常态转变为超导态时排出磁场的过程需要径向电荷流，而常规理论中缺乏这一机制。MH 通过采用广义含时伦敦方程对转变过程进行建模予以反驳，声称常规理论无需径向电荷流或“奇异”的新物理即可正确描述动力学。本文旨在证明 MH 的论点存在致命缺陷，并提出一项实验以区分常规观点与作者的替代理论。

方法论与分析
作者对 MH 的数学框架和物理假设进行了批判性的理论分析。方法论包括：

1. 重新审视 MH 的方程：作者分析了 MH 的广义伦敦方程（本文中的方程 2），该方程在超导电流密度 $\mathbf{j}_s$ 与矢量势 $\mathbf{A}$ 的关系中引入了含时的超导分数 $f(r,t)$。
2. 物理一致性检验：作者评估 MH 的数学解是否符合物理现实，重点关注动量守恒、作用于电子的力之性质以及热力学过程的可逆性。
3. 思想实验设计：作者构建了一个特定的几何场景——一个内部含有微小中空圆柱形空腔的超导圆柱体——用以检验 MH 理论与作者自身理论关于电荷排出预测的差异。

主要贡献与论点
本文指出了作者在先前作品中提出的四个具体“问题”，MH 声称已解决这些问题，但作者论证 MH 的解决方案无效：

• 问题 (i) - 电流的启动：MH 声称，一旦超导分数 $f$ 变为非零，有限的超导电流会立即流动。作者认为这是一种同义反复，未能识别出将电子从静止加速以产生动量所需的物理力，从而违反了动量守恒。
• 问题 (ii) - 法拉第感应：MH 提出，其加速度方程中的一项（正比于 $\partial f/\partial t$）允许电流在感应电场的作用下加速。作者辩称，不存在正比于矢量势 $\mathbf{A}$ 的物理力；唯一的物理力是洛伦兹力项。因此，MH 的机制缺乏物理基础。
• 问题 (iii) - 动量传递给晶格：MH 提出动量是通过杂质/声子散射传递给晶格的。作者认为这是一个耗散过程，而迈斯纳效应和贝克尔 - 伦敦效应（旋转超导体）需要可逆的、无耗散的动量传递。
• 问题 (iv) - 无耗散转变：MH 承认其形式体系无法研究超流体电子向正常电子转换的无耗散动力学。作者强调，常规理论缺乏这种可逆转换的机制。

作者进一步驳斥了 MH 关于本构方程的表述形式（使用 $\mathbf{A}$ 与使用 $\mathbf{B}$）是差异来源的说法。作者证明，即使使用磁场表述，也会出现类似的“非物理力”项，这表明缺陷在于对方程有效性的假设，而非其数学形式。

提出的实验与预测结果
为解决理论僵局，作者提出了一项实验，涉及一个内部含有微小中空圆柱形空腔（夹杂物）的超导圆柱体，并在均匀磁场中冷却。

• MH/常规预测：该理论预测超导分数 $f(r,t)$ 可以任意演化（作为外部参数）。因此，系统将达到全局能量最低点，此时磁场被完全排出整个体积，包括中空空腔（图 2）。
• 作者预测：基于空穴超导理论，排出磁场需要电荷向外运动。由于空腔内没有电荷，空腔内的磁场无法被排出。因此，系统无法达到全局能量最低点。相反，它将进入一个亚稳态，其中磁场被囚禁在空腔内，而超导态仅限于可能发生电荷排出的区域（图 4）。

意义与结论
本文结论认为，Markos-Hlubina 理论未能解决迈斯纳效应所需的基本物理机制（力和动量传递），而是依赖于一种数学形式体系，该体系假设了结果而非从第一性原理推导出来。作者断言，常规理论无法解释迈斯纳效应的动力学，因为它缺乏由量子压力驱动的径向电荷流机制。

所提出实验的意义在于其能够实证检验这些竞争观点。如果磁场被从空腔中排出，则作者的异议站不住脚，常规理论将得到证实。如果磁场仍被囚禁在空腔中，这将有力支持作者的论点，即电荷排出对于磁场排出是不可或缺的，从而需要对常规超导理论进行修正或摒弃。作者指出，F. London 本人曾将伦敦方程视为从实验结果中得出的唯象假设，而非第一性原理，作者认为 MH 错误地解读了这一观点，赋予了伦敦方程明确否认的解释力。