第四百一十五章 能量（二）

請關閉瀏覽器的閱讀/暢讀/小說模式並且關閉廣告遮蔽過濾功能，避免出現內容無法顯示或者段落錯亂。

能量是物理學的基本概念之一，從經典力學到相對論、量子力學和宇宙學，能量總是一個核心概念。

在一般常用語或科普讀物中能量是指一個系統能夠釋放出來的、或者可以從中獲得的、可以相當於做一定量的功。比如說1千克汽油含12千瓦小時能量，是指假如將1千克的汽油中的化學能全部施放出來的話可以做12kwh的功。

能量是物理學中描寫一個系統或一個過程的物理量。一個系統的能量可以被定義為從一個零能量的狀態轉換為該系統現狀的功的總和。一個系統有多少能量在物理中並不是一個確定的值，它隨著對這個系統的描寫而變換。人體在生命活動過程中，一切生命活動都需要能量，如物質代謝的合成反應、肌肉收縮、腺體分泌等等。而這些能量主要來源於食物。動、植物性食物中所含的營養素可分為五大類：碳水化合物、脂類、蛋白質、礦物質和維生素，加上水為六大類。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白質經體內氧化可釋放能量。三者統稱為“產能營養素”或“熱源物質”。

能量守恆定律表明能量不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一種形式轉化為另一種形式，而能的總量保持不變。能量是標量，不是向量，沒有方向。至於正物質與反物質並不是說質量有正負，而是原子核的電性相反，相遇後質量轉化為能量。任何運動都需要能量。能量的形式有許多種，例如光能、聲能、熱能、電能，機械能、化學能、核能等。舉一個例子，觀察一個質量為1kg的固體的能量：

在經典力學中，其能量就是從靜止加速到現有速度所作的功的總和。

在經典熱學中，其能量就是從絕對零度加熱現有溫度所作的功的總和。

在物理化學中，其能量就是合成這個固體時對原料加入的功的總和。

在原子物理中，其能量就是從原子能為零的狀態對它做功達到現有狀態的功的總和。

還可以用相反的方法來定義這個固體所含的能量。舉兩個例子：

該固體的內能是將它冷卻到絕對零度所釋放出來的功的總和。

該固體的原子能是將其結合能在原子核裂變或聚變反應中釋放出來變成反應產物的動能。

能量雖然是一個常用和基本的物理概念，同時也是一個抽象的物理概念。

事實上，物理學家一直到19世紀中才真正理解能量概念，在此之前常常與力、動量等概念混淆。

人體的能量需要量是指機體能長期保持良好的健康狀況，具有良好的體型、機體構成和活動水平的個體，達到能量平衡並能維持從事生產勞動和社會活動所必須的能量攝入量。

在愛因斯坦的狹義相對論中，能量是四維動量中的一個分量。在任意封閉系統，在任意慣性系觀測時，這個向量的每一個分量（其中一個是能量，另外三個是動量）都會守恆，不隨時間改變，此向量的長度也會守恆（閔可夫斯基模長），向量長度為單一質點的靜止質量，也是由多質量粒子組成系統的不變質量（即不變能量）。

因此只要觀測者的參考系沒有改變，狹義相對論中能量對時間的守恆性仍然成立，整個系統的能量仍然不變，位在不同參考系下的觀測者會量測的能量大小不同，但各觀測者量到的能量數值都不會隨時間改變。不變質量由能量-動量關係式所定義，是所有觀測者可以觀測到的系統質量和能量的最小值，不變質量也會守恆，而且各觀測者量測到的數值均相同。

在量子力學中，量子系統的能量由一個稱為哈密頓算符的自伴算符來描述，此算符作用在系統的希爾伯特空間（或是波函式空間）中。若哈密頓算符是非時變的算符，隨著系統變化，其出現機率的測量不隨時間而變化，因此能量的期望值也不會隨時間而變化。量子場論下局域性的能量守恆可以用能量-動量張量運運算元配合諾特定理求得。由於在在量子理論中沒有全域性的時間運算元，時間和能量之間的不確定關係只會在一些特定條件下成立，與位置和動量之間的不確定關係作為量子力學基礎的本質有所不同（見不確定性原理）。在每個固定時間下的能量都可以準確的量測，不會受時間和能量之間的不確定關係影響，因此即使在量子力學中，能量守恆也是一個有清楚定義的概念。

能量必須遵守能量守恆定律。根據這個定律，能量只能從一種形式變為另一種形式而無法憑空產生或者是消滅。能量守恆是時間的平移對稱性（平移不變性）得出的數學結論。

根據能量守恆定律，流入的能量等於流出的能量加