什么是能量？
? ? ? ? 能量的定義一直是一個比較復(fù)雜的問題，或者說能量的定義目前還沒有辦法完成。這實際上是一個很奇怪的現(xiàn)象。為什么這么說呢？我們來考察一下物理學(xué)中大多數(shù)的概念，比如說速度是位移與時間之比，密度是質(zhì)量和體積之比，加速度則是速度變化量和時間之比。你看，所有這些的概念全部都有明確的定義，定義不僅告訴我們這個概念具有怎樣的意義，同時還告訴我們計算這個物理量的一種方法。很遺憾，“能量”這個詞完全不具備以上兩個特點。首先，能量到底是什么？沒人說得清楚，因為在不同的歷史時期它具有不同的意義，這點等一下會講到。其次，能量怎么計算？這就更加復(fù)雜了，我們很難把能量找全，所以怎么算這個問題自然也就無從談起。
? ? ? ? 事實上，目前幾乎沒有什么教材對能量有著精確的定義，舉個例子，費恩曼認(rèn)為：“能量是自然界最為抽象的概念?！倍岚采飨壬摹镀胀ㄎ锢韺W(xué) 力學(xué)》上則先是引用了一些例子描述了“能量”大致是一個什么東西，但是始終沒有對能量下一個定義。漆安慎先生所編寫的教材是國內(nèi)普通物理學(xué)（理論物理的初級階段）的經(jīng)典教材，而費恩曼則是舉世公認(rèn)的物理學(xué)大師、諾貝爾獎得主，他的物理學(xué)教學(xué)一向以深入淺出著稱，然而即使是這樣的兩個牛人也很難講清楚能量是什么，所以我們可以暫時地得出一個不嚴(yán)謹(jǐn)卻很有意義的結(jié)論——“能量是什么”并不重要。
能量是一個狀態(tài)量
? ? ? ? 我們知道，如果兩個完全相同的鐵塊，其中一個的溫度比另外一個更高，那么我們有理由認(rèn)為更加熱的那個鐵塊具有更高的能量。注意，雖然我們說不清楚能量到底是什么，但是我們得出的結(jié)論并沒有錯。一般的思維過程是這樣子的：鐵塊其它的參數(shù)都相同，而一個比另一個更熱，那么更熱的那一個可以加熱一些東西（比如說用水淋到它的上面），于是現(xiàn)在兩個鐵塊溫度相同了，顯然原本更熱的鐵塊的一些“熱能”（姑且使用這個還沒有經(jīng)過嚴(yán)格定義的詞語）到了水中，而現(xiàn)在兩個鐵塊“熱能”相等，于是原本來說更熱的那個鐵塊具有更多的“熱能”，但是這兩個鐵塊除了溫度不一樣其他條件完全相同，所以比較它們所具有的能量只需要比較它們原來“熱能”的多少就可以了，因此我們得出結(jié)論：溫度更高一些的鐵塊具有更多的能量。
? ? ? ? 從上面這個例子中我們看出來，能量是一個狀態(tài)量；也就是說，在某一個確定的時刻某一個確定的研究對象具有某一個數(shù)值的能量。狀態(tài)量的一個重要特點是靜態(tài)，也就是考察某一個狀態(tài)量的大小一般是考察某個靜態(tài)的時刻（而不是一段時間）這個物理量的取值；這是和過程量極為不同的地方——過程量必須在一段過程中才有意義，而在某個時刻中去表述過程量的大小是沒有意義的。舉個例子：某個時刻的氣壓大小是一個狀態(tài)量，比如在a時刻房間里面的氣壓大小恰好是1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，但是氣壓變化量就是一個過程量。如果有人問你：“在昨天上午9點整的時候氣壓變化量是多少？”那么這個問題就沒有必要回答，或者你可以反問他：“你指的是那個時刻和什么時候相比的呢？”這個例子很容易理解，因為變化量要對應(yīng)一個變化過程，單純的一個時間點并不存在變化量的概念，這就表明過程量必須和物理過程對應(yīng)。
能量總是變得越來越多
? ? ? ?剛才已經(jīng)知道，能量是一個狀態(tài)量，而氣壓、溫度也是一個狀態(tài)量，對于氣壓和溫度，我們知道當(dāng)我們指定了時刻和空間位置的時候它們就是一個確定的值了。如果我這么問：“2017年4月26日上午9點整在北京市中心的溫度和氣壓是多少？”想必每個人都會給出相同的答案（當(dāng)然他們不能是胡說一通）；但是能量卻不太一樣。
? ? ? ? 如果你坐著時光機帶著一塊鈾（前提是你沒有被鈾產(chǎn)生的巨大放射線照射致死），指著他問牛頓：“尊敬的近代物理學(xué)鼻祖，我十分討厭您發(fā)明的那一套體系，這導(dǎo)致我們現(xiàn)代可憐的學(xué)生們的精神受到重創(chuàng)。因此我想出了一個問題來讓您為難一下——請問這塊鈾的能量有多少？”
? ? ? ? 牛頓聽了這個問題，想了一下，取地面為重力勢能的零勢能面，然后又計算了一下鈾塊的重量，算出了這個鈾塊的重力勢能，接下來他取地面為參考系，由于你拿著鈾塊靜止不動，因此牛頓得出動能為0的結(jié)論；接下來他就很得意地告訴你答案：“這塊東西的能量（注意！以牛頓那個時代的化學(xué)技術(shù)沒有人知道鈾塊是什么東西）就是重力勢能加上動能，也就是300焦耳（然而那個時候還沒有焦耳這個能量單位，為了方便起見我們暫且假設(shè)牛頓作為物理之祖，可以預(yù)知焦耳的成就）。”你默默地記下這個答案，然后坐著時光機跑了。
? ? ? ? 這次你跑到了愛因斯坦的身邊，你指著這塊鈾對愛因斯坦問了同樣的問題：“尊敬的愛因斯坦教授，我想問您一個讓您為難的問題——請問這塊鈾的能量有多少？”為了保持條件相同，你舉著這塊鈾塊在相同的高度，相對地面也不做運動，愛因斯坦取了和牛頓一樣的零勢能面和參考系，然后想了想說這個鈾塊具有xxx焦耳的能量。這個xxx是如此的巨大，以至于你根本不相信自己的耳朵，因為這和牛頓說的實在差異太大了。你仔細想了想，一個是物理學(xué)老祖宗，一個也是憑借一己之力開創(chuàng)物理學(xué)新天地的神級物理學(xué)家，總不可能有一個人搞錯了吧？
? ? ? ? 事實上兩個人都沒有錯（這樣的結(jié)論也保護了兩位大佬的名譽），牛頓時代只能把鈾塊當(dāng)成一個簡單的金屬塊，所以只能想到重力勢能和動能（我們暫且不計內(nèi)能）；而愛因斯坦可是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程的人，自然想得到鈾可以制造核彈，所以愛因斯坦認(rèn)為小小的鈾中含有巨大的能量。認(rèn)知的局限導(dǎo)致了兩人對能量總量的認(rèn)識產(chǎn)生差異，而且隨著人類科技的進步和認(rèn)識的發(fā)展，我們總是會發(fā)現(xiàn)越來越多的物質(zhì)變化和運動形式，每一種新的物質(zhì)變化和運動形式的發(fā)現(xiàn)也就意味著一種新的能量被計入物體總能量當(dāng)中。所以即便是所有因素都相同的情況下對于同一個物體在不同的時代也會產(chǎn)生對其能量總量的不同認(rèn)知，這就是能量所謂的“越來越多”的道理。顯然，思考“能量的總量是多少“沒有任何意義。
這篇文章的剩余部分是對功這一概念的討論，敬請參閱能量和功（2）。
