爆肝2万字！全网最详细对能量的解读！能量究竟是什么？能量的本质到底是什么？以十层

爆肝2万字！全网最详细对能量的解读！能量究竟是什么？能量的本质到底是什么？以十层

能量是物理学中最基本的概念之一，它贯穿于整个物理学的发展历程。从古希腊哲学家对能量的朴素理解，到现代物理学中对能量的精确描述，人类对能量的认识经历了漫长而曲折的过程。本文将从十个层面，带你深入理解能量的本质。

（一）能量是物体对外做功的本领

• 古希腊时期：亚里士多德认为能量是物体所含有的活力。在当时，能量依旧是哲学概念。

• 1644年：法国数学家笛卡尔定义了物体所含有的运动量。

• 17世纪末：德国数学家莱布尼茨提出了动能的概念。莱布尼茨发现这个运动量在碰撞下是保持不变的。

• 1807年：来自英国的物理学家托马斯·扬明确提出了能量这个概念，并认为物体的能量能产生实际的效果。

• 1853年：来自苏格兰的物理学家威廉·兰金提出了新的能量储存方式——势能。
• 动能是随着物体的速度而变化。
• 势能是随着物体的空间位置而变化。

能量是物体对外做功的本领。

（二）能量是守恒的

• 1845年：英国物理学家焦耳设计了热能与机械能转化实验，并测定出了热功当量。

他得出：定量的功会产生相同数量的热量。

（三）任何形式的能量都是由势能或动能组成的

• 光能是光子的动能；化学能就是分子之间的势能；热能就是分子的动能和分子之间的势能；核能是质子和中子之间的势能。
• 能量转换只是动能与势能的转换。
• 物体的宏观动能会转化为微观的动能。
• 能量守恒定律的问题：我们只能通过能量守恒定律来预测一个系统的最终宿命，并不能计算出该系统完整的演化轨迹。
• 1760年：法国物理学家拉格朗日提出了最小作用量原理，拉格朗日认为，自然界中的物理系统会沿着一条使作用量最小的路径运动。

（四）质量和能量是等价的

• 质能方程两个误区
  1. 质量和能量并不是互化关系，而是等价关系。
  2. 一公斤的铅笔并不能转化为巨大的能量。
• 能量的释放导致了质量亏损
• 物质转化为能量是正确的，前提是释放的能量必须逃离系统。
• 物质大部分的能量被禁闭在质子和中子之内了。
• 虽然湮灭能让物质100％转化为能量，电子和正点子能产生高能光子，但比较复杂的粒子如质子的湮灭反应会产生其他的粒子。

（五）能量是比质量更本质的存在

• 质量相同的物体X和物体Y，如果物体X移动了，那么物体X的总能量是比物体Y更大的
• 物理学家认为物体的质量必须是不变的，质量必须是洛伦兹不变量，质量必须在任何参考系都是相同的。
• 目前质量被严格定义为粒子在静止状态下的质量，由于光子没有静止状态，所以光子的质量被定义为0

（六）能量是无法被计算的

• 粒子的质量是相对的。
• 粒子标准模型里，所有粒子的质量是相对于真空而言的。
• 能量没有绝对的数值，能量会因不同的参考系而有所不同。

（七）能量守恒定律来自对称性

• 1915年：爱因斯坦发表了广义相对论，爱因斯坦发现能量在广义相对论中是不守恒的，他对场方程进行修正，并保全能量守恒定律。
• 1929年：美国天文学家哈勃发现宇宙所有的星系在远离我们，这意味着宇宙正在膨胀，如果宇宙正在膨胀，那么经历宇宙红移的光子的波长会越来越长，波长越长，能量就越小。这意味着，传播中的光子的能量会因为宇宙的膨胀而慢慢减少。
• 德国数学家克莱因、希尔伯特寻求埃米·诺特的帮助，埃米·诺特发现到，自然界所有的守恒定律都来自对称性，她的发现被称为诺特定理。
• 根据诺特定理，每一种连续对称性，都有对应的守恒定律。
  1. 空间平移不变性对应的是动量守恒定律。
  2. 时间平移不变性对应的是能量守恒定律。时间平移不变性是指如果我们在任何时间得到物理规律是相同的，那么能量就一定会守恒。
• 在牛顿的绝对时空观里时间是独立而存在的是静态的，时间只是用来描述物体运动过程的一个背景参数；在广义相对论里，时间本身不再是静态的而是动态的。这意味着动态的时空会打破时间平移不变性，宇宙的膨胀也破坏了时间平移不变性，由于时空本身并不满足时间平移对称性，能量便不守恒了。
• 能量在大尺度是不守恒的，但能量在小尺度是严格守恒的。

（八）能量会因为熵增而无法使用

• 熵就是测量一个系统不能做功的能量总数。
• 1824年：法国物理学家卡洛提出所有的热机的工作都需要存在温度差，当热量从热机热的部分向热机冷的部分转移时，热机获得了原动力，而热机的效率取决于温度差，但热机都有一个缺陷，就是会发生热损耗。
• 1850年：德国的物理学家克劳修斯提出了熵这个概念。克劳修斯认为热机在做功过程中会产生无法使用的热量，而且这个过程是不可逆的。
• 热能的本质是粒子在做无规则运动属于无序状态，而功的本质就是所有粒子往相同方向运动属于有序状态。

（九）能量是不连续的

• 物理学家尝试用热力学里的能量均分定理来推导黑体辐射时，他们得出了紫外灾难的荒谬结论
  【紫外灾变，同样也被称为瑞利-金斯灾变，指的是19世纪末/20世纪初，科学家面对黑体辐射问题，透过以经典物理学为背景之瑞利-金斯定律，来计算黑体辐射强度与能量间之关系，却发现以经典物理学理论所计算之黑体辐射强度会随辐射频率上升，而趋向于放出无穷大之能量，其结果与实验数据无法吻合的历史事件。】
• 光电效应问题：物理学家无法解释为什么再强的光也轰飞不了金属板的电子。
• 原子稳定性问题：根据麦克斯韦电磁波理论，加速中的带电粒子会辐射电磁波，为什么围绕原子核做圆周运动的电子不会辐射电磁波，并坠入原子核。
• 1900年：德国物理学家普朗克发现引入能量的量子化，能成功地避免紫外灾难的出现，普朗克提出谐振子不能拥有任意的能量，而是某个最小能量的倍数。所以，微观世界的能量不能是任意值，只能是普朗克常数的整数倍。
• 1905年：爱因斯坦提出了光量子假说，光的能量也是一份一份的是不连续的，爱因斯坦成功预言了光子的存在。
• 1913年：为了解释原子稳定性问题，丹麦物理学家玻尔提出了玻尔原子模型。波尔认为原子的轨道是存在量子化的，根据玻尔原子模型，电子只能占据特定的能级或者轨道，电子想从一个轨道跃迁到另一个轨道，只能通过吸收或辐射光子，所以电子不会随意辐射电磁波，并坠入原子核。
• 我们可以认为，原子的能级存在禁区，也就是电子不可能达到能级之间的能量，能量的不连续性，也解释了为什么宇宙中所有的电子都有相同的质量。
• 在量子场论中，所谓的粒子就是量子场的激发。
  比如光子场的激发就是光子，电子场的激发就是电子，而量子场本身是由量子谐振子描述的，由于量子谐振子的能量是离散的，所以我们必须用特定的能量来激发量子场。

（十）零点能量

• 量子谐振子的最低能量态不可以是0,
  1. 粒子不可能达到绝对零度，这是因为粒子的最低能量态依旧存在着一定的数值。
  2. 我们的真空不完全是空的，而是存在一定数值的能量，这个能量被称为真空能或者零点能量。
• 如果真空的能量不算是最低的，那么此时此刻的真空处于假的真空，假的真空会有一定的概率衰变成真的真空，释放的能量会以光速c扩散到整个宇宙，这个现象被称为真空衰变。
• 根据海森堡不确定性原理，我们无法同时测量粒子的位置和动量，而这个空间位置和动量在物理上被称为共轭物理量。
  【不确定性原理是海森堡于1927年提出的物理学原理。其指出：不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。 粒子位置的不确定性和动量不确定性的乘积必然大于等于普朗克常数除以4π。】
• 时间与能量也是共轭物理量，也有能量时间不确定性原理。时间的不确定性越小，能量的不确定性就越大，反之亦然。
• β衰变中，粒子会从真空中借能量。中子会衰变为质子，β衰变是弱力主导的，衰变的过程中会产生w玻色子。
  中子通过w玻色子衰变成质子，而不稳定的w玻色子又会衰变为其他粒子，但衰变过程违反了能量守恒定律
  根据能量时间不确定性原理，由于β衰变过程中存在量子效应，所以非常短暂的能量不守恒是被允许的。由于w玻色子的质量非常大，所以w玻色子只能存在一小段时间，导致w玻色子寿命非常短。w玻色子寿命非常短意味着，w玻色子只能移动一小段距离，导致了弱力是短程力。
• 由于所有的量子效应都与概率有关，所以质量越大，w玻色子存在的概率就非常低，因此弱力主导的衰变能发生的概率非常低，这也解释了为什么弱力那么弱。