(思进注:近日,因俄乌之战,能源问题几乎每天刷屏,各类分析更是众说纷纭,注意到有些分析是事实的陈述、逻辑自洽;不过,好些判断则可能失之偏颇。恰好在近10年前由我策划,和庞忠甲先生合著的《能源超限战》(2016年06月01日出版)分析了能源问题的方方面面,特别是结论点出:“人与动物的差别不在于对工具的利用,更在于对能源的利用。一直以来,能源危机之说虚虚实实。石油和矿物燃料告罄有日,而新能源尤其是非常规油气资源的发展,却使得当代能源危机成为一个伪命题”……现在看来毫不过时,那就从07月06日开始,特选摘其中部分内容,和大家分享……)
万物运动之本:“能”的本质、形式和转化
能源是储存能量的物质; 能放出能量的物质。
在此探索之始,必须先说说“什么是能量”。尽管在初中教科书上就介绍“能”的概念,但实际上即便当世一流科学家怕也说不清呢。
世界万物是不断运动着的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动属性的具体表现。
任何运动都需要能量。能量是个常用的基础性的物理概念,但探其究竟,却是一个非常抽象和难以定义的物理概念。
迄今为止,能量与质量的基本概念都还没有理清,而且互相混淆呢。
能量是物理学缺乏严格定义而广泛使用的物理量。除机械能比较讲得比较清楚外,物理学中的其他能量,诸如,化学能,光 能,原子能,电能等,还是相当模糊的概念。狭义相对论给出了质量和能量的转换公式,质量和能量相互转化已被科学界认定,并成为物理学基础之一;但随之而来的,宇宙大爆炸能量、负能量、暗能量、反物质能量、宇宙常数能量,以及负熵能量等一些定义不清的概念相继登场,物理学实际上正陷于茫然,困惑和混乱。
《简明哲学词典》对于“能量”的释义是:“能量是物质运动的尺度。”;百度百科则说“能量是物质运动的量度”;可谓莫名其妙,完全没有给出物理概念应有的逻辑性和概括性。今天世人为了生存发展,千方百计地开发新旧能源,难道只是为了获得一种量度吗?为什么不能明白交待能量与物质运动的因果关系,直截了当地说,“能量是物质运动的原动力”呢?
《简明自然辩证法辞典》中这样解释“能量”:“物质运动的一般量度。表征一物质系统对外做功的能力。”虽较前者言之有物,但其科学性仍然很成问题。
物质的运动形式是多种多样的,能量的形式也有许多如:光、声、热、电,有机械能、化学能、热能、电能、声能等等。对于每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式,例如:与宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;与分子运动对应的能量形式是热能;与原子运动对应的能量形式是化学能;与带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能;与光子运动对应的能量形式是光能,此外,还有风能潮汐能等。它们并非用“做功的能力”所能简单囊括。
英国爵士牛顿(Isaac Newton,1643-1727)是经典力学的创始人,他始终都在苦苦追寻“物体运动的原动力”是什么,却未得其解,最后却成了神学家。
起先人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。直到能量守恒定律被确认,明白能量不会消失只能转移后,才进一步建立了能量概念,并认识其重要意义。
早期物理学家使用过一个称为“活力”的、概念,意思是一种使物体活泼起来(动起来、热起来)的力,与能量相似却混淆不清。直到十九世纪初,英国物理学家托马斯. 扬(Thomas Young,1773~1829)于1807年首创使用“能量”一词,代替了“活力”。英语中的能量一词Energy 是两个希腊词的组合:即“加进去的功”的意思。
1853年,英国諾貝爾物理獎获得者威廉·汤姆逊(William Thomson,1824—1907)曾给能量下了这样一个定义:“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为:当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和。”
有人认为,功只不过是能量转化的方式之一.为了突出能量概念的广阔外延和能量的守恒,应该避免使用像“能是做功的本领”这种过分简单的定义,代之以引入各种不同形式的能量,以利讨论能量从一种形式向另一种形式的转化。例如,能量的定义中不应该把热遗漏掉.一个热力学系统,在循环过程中吸收的热是不可能完全转化为功的.因而在能量转化过程中,某些做功的本领不可挽回地损失掉了.从能量可以得到的功,其大小取决于能量的有序程度。
德国物理学家,諾貝爾物理獎获得者麦克斯·冯·劳厄(Max von Laue,1879— 1960)在《物理学史》中还指出了汤姆逊所下定义的一个缺陷,即“使用了一个任意选定的状态作为能量的零点”。这个缺陷需要用后来爱因斯坦的质能关系学说支持的能量惯性原理弥补。
看来,正如荷兰物理学家克莱默斯(Hendrik Anthony Kramers,1894–1952)所说:“在物理科学中,最重要和最富有的成果的是那些不可能给予确切意义的概念。”确实很难给“能”的概念下一个简单的一般定义。(待续)
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