第四百一十五章 能量（二）(1/2)

能量是物理学的基本概念之一，从经典力学到相对论、量子力学和宇宙学，能量总是一个核心概念。

在一般常用语或科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量，是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12kwh的功。

能量是物理学中描写一个系统或一个过程的物理量。一个系统的能量可以被定义为从一个零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。人体在生命活动过程中，一切生命活动都需要能量，如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等等。而这些能量主要来源于食物。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类：碳水化合物、脂类、蛋白质、矿物质和维生素，加上水为六大类。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白质经体内氧化可释放能量。三者统称为“产能营养素”或“热源物质”。

能量守恒定律表明能量不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，而能的总量保持不变。能量是标量，不是矢量，没有方向。至于正物质与反物质并不是说质量有正负，而是原子核的电性相反，相遇后质量转化为能量。任何运动都需要能量。能量的形式有许多种，例如光能、声能、热能、电能，机械能、化学能、核能等。举一个例子，观察一个质量为1kg的固体的能量：

在经典力学中，其能量就是从静止加速到现有速度所作的功的总和。

在经典热学中，其能量就是从绝对零度加热现有温度所作的功的总和。

在物理化学中，其能量就是合成这个固体时对原料加入的功的总和。

在原子物理中，其能量就是从原子能为零的状态对它做功达到现有状态的功的总和。

还可以用相反的方法来定义这个固体所含的能量。举两个例子：

该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。

该固体的原子能是将其结合能在原子核裂变或聚变反应中释放出来变成反应产物的动能。

能量虽然是一个常用和基本的物理概念，同时也是一个抽象的物理概念。

事实上，物理学家一直到19世纪中才真正理解能量概念，在此之前常常与力、动量等概念混淆。

人体的能量需要量是指机体能长期保持良好的健康状况，具有良好的体型、机体构成和活动水平的个体，达到能量平衡并能维持从事生产劳动和社会活动所必须的能量摄入量。

在爱因斯坦的狭义相对论中，能量是四维动量中的一个分量。在任意封闭系统，在任意惯性系观测时，这个向量的每一个分量（其中一个是能量，另外三个是动量）都会守恒，不随时间改变，此向量的长度也会守恒（闵可夫斯基模长），向量长度为单一质点的静止质量，也是由多质量粒子组成系统的不变质量（即不变能量）。

因此只要观测者的参考系没有改变，狭义相对论中能量对时间的守恒性仍然成立，整个系统的能量仍然不变，位在不同参考系下的观测者会量测的能量大小不同，但各观测者量到的能量数值都不会随时间改变。不变质量由能量-动量关系式所定义，是所有观测者可以观测到的系统质量和能量的最小值，不变质量也会守恒，而且各观测者量测到的数值均相同。

在量子力学中，量子系统的能量由一个称为哈密顿算符的自伴算符来描述，此算符作用在系统的希尔伯特空间（或是波函数空间）中。若哈密顿算符是非时变的算符，随着系统变化，其出现概率的测量不随时间而变化，因此能量的期望值也不会随时间而变化。量子场论下局域性的能量守恒可以用能量-动量张量运算子配合诺特定理求得。由于在在量子理论中没有全域性的时间算子，时间和能量之间的不确定关系只会在一些特定条件下成立，与位置和动量之间的不确定关系作为量子力学基础的本质有所不同（见不确定性原理）。在每个固定时间下的能量都可以准确的量测，不会受时间和能量之间的不确定关系影响，因此即使在量子力学中，能量守恒也是一个有清楚定义的概念。

能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律，能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性（平移不变性）得出的数学结论。

根据能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上内能变化。此定律是物理学中相当基本的判据。依照时间的平移对称性（平移不变性），物理定律（定理）在任何时间都成立。

能量守恒定律是许多物理定律的特征。以数学的观点来看，能量守恒是诺特定理的结果。如果物理系统在时间平移时满足连续对称，则其能量（时间的共轭物理量）守恒。相反的，若物理系统在时间平移时无对称性，则其能量不守恒，但若考虑此系统和另一个系统交换能量，而合成的较大系统不随时间改变，这个较大系统的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中，因此可以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论，由于量子力学允许短时间内的不守恒（例如