能量是什么?

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初中物理教材说,能量是物体对外做功的本领。按这个定义,物体不能对外做功,能量应该就是零,或者,能量为零,意味着物体不能对外做功。

然而,我们却知道,势能零点可以任意规定,势能为零并不意味着物体不能对外做功。势能为负值,更不代表只能是外界对物体做功。

把能量定义为物体对外做功的本领,虽然很直观,好理解,却是明显不符合能量的特征的。尤其是系统对外做功的本领并不是守恒的,热力学第二定律表明,物体能够对外做功的能力是在衰减的——可利用的能量在减少,或者能源的品质会降低。

那么,能量如何定义呢?能量能够定义吗?

费因曼说:有一个事实,也可以说一条定律,支配着至今我们所知的一切自然现象,这条定律称为能量守恒定律,它指出,在自然界所经历的种种变化之中,有一个称之为能量的物理量是不变的,那是一个最抽象的概念,因为它是一种数学原理,说的是在某种情况发生时,有一个数量是不变的。起先,我们可以计算某种数值,当我们看完大自然耍弄技巧的表演后,再计算一次数值,其结果保持不变。

费因曼以积木比喻说明它的含义:设想有一个孩子,他有一堆积木,一共28块,每天早上他的母亲把他连同28块积木一起留在一个房间,到了晚上,母亲很仔细的清点积木的数目,于是,她会发现一个规律,无论孩子怎么玩积木,积木总块数总是28,这种情况持续了好几天。有一天,她发现,积木只有27块,但是稍微仔细检查一下,发现地毯下还有1块,积木的总块数还是不变。然而,又有一天,积木块数变成了26,仔细调查发现,窗户打开过,再往窗外一看,就发现了另外2块。又有一天,她清点时,发现积木只有25块了,但是孩子却不准她打开一个关着的箱子,母亲很机灵,她曾经称量过箱子原来的质量,她重新称量了一下箱子的质量,把新增的质量除以每块积木的质量,得到了一个数,这个数正好等于3,和25相加,还是28。接着,又出现了新的偏差,但是仔细研究发现,浴缸里的水面上涨了一些,若将这个上涨的体积除以每块积木的体积,则又补齐了积木的数目。问题变得越来越复杂和奇异,但是,这位聪明的母亲总是发现,用一系列形式各异的算式进行计算求和,无论孩子怎么玩积木,这个和的总量总是保持不变。

这个比喻里,积木的数目保持不变,但是,计算积木块数的各项表达式却形式各异。这里,把积木块数改为能量,不同的表达式改为不同形式的能量表达式,那么,我们发现,这些形式各异的表达式之和总是保持不变,也就是能量总量守恒。然而,各个表达式何以必须如此,我们却一无所知。这就是能量!

能量显然不可定义,只能从它的总量守恒和具体的形式——也就是表达式——去理解它。它是一个守恒量,不同于动量、角动量、电荷量……的一个守恒量。它有着各种不同的形式和对应的表达式,各种形式能量之间可以相互转化,但是总量保持不变。这就是能量!

作者:陈恩谱物理老师

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