能量科学的进化

虽然草率地使用固有术语的情况已是难以改变的事实，但在信息类的文本中却不允许使用定义不明的术语，而且这样的传统已经延续了100多年。在19世纪末之前，能量方面的理论研究就已经达到了一定程度的一致性和明确性。经过几代人的缓慢发展，西方知识分子的迅速增多和发明活动的爆发为现代科学奠定了坚实的基础，之后不久很多更为复杂的概念也得以发展。这些进展之前的奠基性研究始于17世纪，并在18世纪取得了长足的进步。在那期间有两大进步贡献巨大：一是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的全面的物理学观点；二是工程开发实验，尤其是詹姆斯·瓦特（James Watt）对蒸汽机的改进（见图1-1；另见图4-2）。

图1-1　詹姆斯·瓦特像

对能量的现代理解的起源有很多，其中一大关键贡献来自萨迪·卡诺（Sadi Carnot）在19世纪早期的理论推演。这位年轻的法国工程师提出了适用于由热能转化为动能的普适原则，并定义了理想（可逆的）热机的最大效率。之后不久，现代化学和科学农业的奠基人之一尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig）提出将二氧化碳和水的产生归因于食物的氧化作用，从而基本正确地解释了包括人类在内的动物的代谢过程。

在现代物理学最基础的定律中，有一条源自尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔（Julius Robert Von Mayer）的爪哇岛之旅。这位年轻的德国物理学家在当时是一位随船医生，他发现在爪哇岛时给病人放的血(7)看起来要比在德国时明亮一些。

迈尔对此已有一个现成的解释：在热带地区，血液的氧化程度与在温带地区有所不同，因为在更温暖的地方，身体代谢所需的能量更少。这个解释引导他想到了另一个关键问题：如果在热带地区人的身体因辐射而导致的热量流失较少，那么由于身体运动而导致的热量损失（即机械能消耗）呢？这个过程显然会让周围的环境变热，而且不论是在欧洲还是在亚洲的热带地区都一样。除非我们能找到其他的来源，否则热量也必然来自血液的氧化作用，因此热量和机械能（如身体运动）必然是等价的，而且能以某个固定的速率相互转化，能量守恒定律便由此开始形成。

1842年，迈尔发表了对这种等价性的首个定量评估结果，并在3年后将能量守恒思想扩展到了所有自然现象，包括电、光、磁。他还在两个隔热的气缸之间进行了气体流动实验，并给出了该实验的详细计算过程。

热能和机械能的等价性的真正价值是由英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，见图1-2）发现的，他为此做了大量精心设计的实验。他首先通过由下落的重物驱动的组装旋转轮叶来搅动水，然后使用非常灵敏的温度计来测量水的温度，这样他能够相当准确地测量搅动过程所包含的机械能。1847年，焦耳通过费心尽力的实验得到了一个与实际值相差不到1%的结果。能量守恒定律就此得到了初步验证，即能量既不会凭空产生也不会凭空消失。现在这一定律通常被称为热力学第一定律。

图1-2　詹姆斯·普雷斯科特·焦耳像

1850年，德国理论物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）发表了他的首篇关于热动说（the mechanical theory of heat）的论文。他在这篇论文中证明：使用卡诺循环发动机可获得的最大性能仅取决于储热物质的温度，而非物质的性质，因此热量永远不会从冷的物体流向热的物体。随后，克劳修斯继续完善了这一基本概念，并在其1865年的一篇论文中提出了entropy（熵）这一术语。entropy源自希腊语词汇τροπή（意为：转变、转换、变换），克劳修斯将其用于度量封闭系统中的混乱程度。他还明确地提出了热力学第二定律：宇宙的熵趋向于极大值。用常用的术语来说，这一定律是指：在没有任何外部能量供应的封闭系统中，可用的有用能量只会逐渐减少。煤是一种高质量的、有序的（低熵）能量载体，燃烧煤会产生热能，而热能是一种疏散的、低质量的、无序的（高熵）能量形式。这个顺序是不可逆的：散出的热能和释放的可燃烧气体永远无法重新聚合成煤。因此，热能在能量层次结构中居于一个非常独特的位置，其他所有形式的能量都可以完全转化为热能，但热能永远无法完全转化为其他形式的能量，因为初始投入的热能中只有一部分可以转变成新形式的能量。

根据热力学第二定律，宇宙的整体趋势是迈向热寂和无序，这可能是所有概括宇宙的定律中最宏观的一个，但同时也是大多数非科研人士仍然一无所知的定律。英国物理学家、政治家和小说家查尔斯·斯诺（Charles Snow）在1959年的里德讲座(8)“两种文化与科学革命”（The Two Cultures and the Scientific Revolution）中对这种现实情况给出了如下这番经典的描述：

我曾经参加过很多次这样的聚会，按照传统文化的标准来看，这些参加聚会的人士都是受过高等教育的，他们也常饶有兴致地表达他们对科学家的智识水平的怀疑。我因此被激怒过一两次，并且向他们提问有多少人能够描述热力学第二定律。我得到的回应很冷淡，也没人能描述，而这无异于我在科学领域提问：“你读过莎士比亚的作品吗？”

尽管热力学第二定律具有普适性，但生物体似乎总是在违背这一定律，生物个体的孕育和成长以及生物物种和生态系统的进化都会产生明显的更有序、更复杂的生命形式。实际上，生物的存在与热力学第二定律并不矛盾：热力学第二定律仅适用于处于热力学平衡状态的封闭系统。地球的生物圈是一个开放的系统，其不断吸收太阳能，并通过光合作用将太阳能转化为新的植物体内的能量，这些能量又会成为更大的有序系统和组织的基础，这一过程是在向熵减小的方向发展。

此外，还有热力学第三定律，其最初成型于沃尔特·能斯特（Walther Nernst）于1906年提出的热定理。该定理指出：所有过程只有在温度接近绝对零度（–273 ℃）时才会终止，这时熵不再变化。

20世纪的第一个10年迎来了热力学第一定律的根本性扩展。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了一种理论：质量本身就是能量的一种形式。E=mc2可能是这个世界上最著名的方程式了，其表达的意思是：物质的能量等于其质量乘以光速的平方。根据这一方程，4 t物质含有的能量就相当于全世界全年的商用能量消耗，但物质的这种惊人潜能仍然只是潜能，因为我们甚至还无法将石灰石或水中的这些质量能量释放出来。

但在商用能量方面，我们仅有一个途径可以将相对较多（但仍然非常少）的质量转换为能量，那就是核反应堆。1 kg铀235的核裂变释放的能量相当于190 t原油燃烧所释放的能量。在这个过程中，核裂变原料的质量只会减少1 g，也就是其原质量的千分之一。相对而言，1 kg原油加上其燃烧所需的氧气燃烧后其总质量只会减少百亿分之一，这减少的质量甚至无法用仪器测量出来。

能量方面的科学研究正如火如荼地进行，在不到一个世纪的时间内，科学家们几乎已经完成了对能量现象的本质的解释。尽管已经有了如此庞大且高度复杂的科学知识体系作为支撑，但要想透彻地理解能量的基本概念还存在一定的难度。相较于质量或温度等概念，想要用我们可以理解的方式来解释能量的概念，其难度要大得多。20世纪最杰出的物理学家之一理查德·费曼（Richard Feynman）1963年在其著名的《物理学讲义》（Lectures On Physics）中就坦诚地说明了这一点：

重要的是要认识到，现如今我们并不知道能量究竟是什么。我们并不能用一幅图来说明能量是不是以定量的小块形式出现的，因为事实并非如此。但是，现在有可用于计算某些数值的公式……然而，这些结果是很抽象的，无法告诉我们各个公式的机制或原理是什么。

尽管对能量这一概念进行解释很困难，但我们还是要努力让这个抽象概念变得更容易理解。