能量科學(xué)的進(jìn)化

雖然草率地使用固有術(shù)語(yǔ)的情況已是難以改變的事實(shí)，但在信息類的文本中卻不允許使用定義不明的術(shù)語(yǔ)，而且這樣的傳統(tǒng)已經(jīng)延續(xù)了100多年。在19世紀(jì)末之前，能量方面的理論研究就已經(jīng)達(dá)到了一定程度的一致性和明確性。經(jīng)過(guò)幾代人的緩慢發(fā)展，西方知識(shí)分子的迅速增多和發(fā)明活動(dòng)的爆發(fā)為現(xiàn)代科學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，之后不久很多更為復(fù)雜的概念也得以發(fā)展。這些進(jìn)展之前的奠基性研究始于17世紀(jì)，并在18世紀(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在那期間有兩大進(jìn)步貢獻(xiàn)巨大：一是艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的全面的物理學(xué)觀點(diǎn)；二是工程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)，尤其是詹姆斯·瓦特（James Watt）對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)（見(jiàn)圖1-1；另見(jiàn)圖4-2）。

對(duì)能量的現(xiàn)代理解的起源有很多，其中一大關(guān)鍵貢獻(xiàn)來(lái)自薩迪·卡諾（Sadi Carnot）在19世紀(jì)早期的理論推演。這位年輕的法國(guó)工程師提出了適用于由熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的普適原則，并定義了理想（可逆的）熱機(jī)的最大效率。之后不久，現(xiàn)代化學(xué)和科學(xué)農(nóng)業(yè)的奠基人之一尤斯圖斯·馮·李比希（Justus von Liebig）提出將二氧化碳和水的產(chǎn)生歸因于食物的氧化作用，從而基本正確地解釋了包括人類在內(nèi)的動(dòng)物的代謝過(guò)程。

在現(xiàn)代物理學(xué)最基礎(chǔ)的定律中，有一條源自尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾（Julius Robert Von Mayer）的爪哇島之旅。這位年輕的德國(guó)物理學(xué)家在當(dāng)時(shí)是一位隨船醫(yī)生，他發(fā)現(xiàn)在爪哇島時(shí)給病人放的血(7)看起來(lái)要比在德國(guó)時(shí)明亮一些。

邁爾對(duì)此已有一個(gè)現(xiàn)成的解釋：在熱帶地區(qū)，血液的氧化程度與在溫帶地區(qū)有所不同，因?yàn)樵诟鼫嘏牡胤剑眢w代謝所需的能量更少。這個(gè)解釋引導(dǎo)他想到了另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如果在熱帶地區(qū)人的身體因輻射而導(dǎo)致的熱量流失較少，那么由于身體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的熱量損失（即機(jī)械能消耗）呢？這個(gè)過(guò)程顯然會(huì)讓周圍的環(huán)境變熱，而且不論是在歐洲還是在亞洲的熱帶地區(qū)都一樣。除非我們能找到其他的來(lái)源，否則熱量也必然來(lái)自血液的氧化作用，因此熱量和機(jī)械能（如身體運(yùn)動(dòng)）必然是等價(jià)的，而且能以某個(gè)固定的速率相互轉(zhuǎn)化，能量守恒定律便由此開(kāi)始形成。

1842年，邁爾發(fā)表了對(duì)這種等價(jià)性的首個(gè)定量評(píng)估結(jié)果，并在3年后將能量守恒思想擴(kuò)展到了所有自然現(xiàn)象，包括電、光、磁。他還在兩個(gè)隔熱的氣缸之間進(jìn)行了氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并給出了該實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。

熱能和機(jī)械能的等價(jià)性的真正價(jià)值是由英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，見(jiàn)圖1-2）發(fā)現(xiàn)的，他為此做了大量精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。他首先通過(guò)由下落的重物驅(qū)動(dòng)的組裝旋轉(zhuǎn)輪葉來(lái)攪動(dòng)水，然后使用非常靈敏的溫度計(jì)來(lái)測(cè)量水的溫度，這樣他能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地測(cè)量攪動(dòng)過(guò)程所包含的機(jī)械能。1847年，焦耳通過(guò)費(fèi)心盡力的實(shí)驗(yàn)得到了一個(gè)與實(shí)際值相差不到1%的結(jié)果。能量守恒定律就此得到了初步驗(yàn)證，即能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失。現(xiàn)在這一定律通常被稱為熱力學(xué)第一定律。

1850年，德國(guó)理論物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）發(fā)表了他的首篇關(guān)于熱動(dòng)說(shuō)（the mechanical theory of heat）的論文。他在這篇論文中證明：使用卡諾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得的最大性能僅取決于儲(chǔ)熱物質(zhì)的溫度，而非物質(zhì)的性質(zhì)，因此熱量永遠(yuǎn)不會(huì)從冷的物體流向熱的物體。隨后，克勞修斯繼續(xù)完善了這一基本概念，并在其1865年的一篇論文中提出了entropy（熵）這一術(shù)語(yǔ)。entropy源自希臘語(yǔ)詞匯τροπ?（意為：轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)換、變換），克勞修斯將其用于度量封閉系統(tǒng)中的混亂程度。他還明確地提出了熱力學(xué)第二定律：宇宙的熵趨向于極大值。用常用的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這一定律是指：在沒(méi)有任何外部能量供應(yīng)的封閉系統(tǒng)中，可用的有用能量只會(huì)逐漸減少。煤是一種高質(zhì)量的、有序的（低熵）能量載體，燃燒煤會(huì)產(chǎn)生熱能，而熱能是一種疏散的、低質(zhì)量的、無(wú)序的（高熵）能量形式。這個(gè)順序是不可逆的：散出的熱能和釋放的可燃燒氣體永遠(yuǎn)無(wú)法重新聚合成煤。因此，熱能在能量層次結(jié)構(gòu)中居于一個(gè)非常獨(dú)特的位置，其他所有形式的能量都可以完全轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能永遠(yuǎn)無(wú)法完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，因?yàn)槌跏纪度氲臒崮苤兄挥幸徊糠挚梢赞D(zhuǎn)變成新形式的能量。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，宇宙的整體趨勢(shì)是邁向熱寂和無(wú)序，這可能是所有概括宇宙的定律中最宏觀的一個(gè)，但同時(shí)也是大多數(shù)非科研人士仍然一無(wú)所知的定律。英國(guó)物理學(xué)家、政治家和小說(shuō)家查爾斯·斯諾（Charles Snow）在1959年的里德講座(8)“兩種文化與科學(xué)革命”（The Two Cultures and the Scientific Revolution）中對(duì)這種現(xiàn)實(shí)情況給出了如下這番經(jīng)典的描述：

我曾經(jīng)參加過(guò)很多次這樣的聚會(huì)，按照傳統(tǒng)文化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這些參加聚會(huì)的人士都是受過(guò)高等教育的，他們也常饒有興致地表達(dá)他們對(duì)科學(xué)家的智識(shí)水平的懷疑。我因此被激怒過(guò)一兩次，并且向他們提問(wèn)有多少人能夠描述熱力學(xué)第二定律。我得到的回應(yīng)很冷淡，也沒(méi)人能描述，而這無(wú)異于我在科學(xué)領(lǐng)域提問(wèn)：“你讀過(guò)莎士比亞的作品嗎？”

盡管熱力學(xué)第二定律具有普適性，但生物體似乎總是在違背這一定律，生物個(gè)體的孕育和成長(zhǎng)以及生物物種和生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化都會(huì)產(chǎn)生明顯的更有序、更復(fù)雜的生命形式。實(shí)際上，生物的存在與熱力學(xué)第二定律并不矛盾：熱力學(xué)第二定律僅適用于處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的封閉系統(tǒng)。地球的生物圈是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，其不斷吸收太陽(yáng)能，并通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為新的植物體內(nèi)的能量，這些能量又會(huì)成為更大的有序系統(tǒng)和組織的基礎(chǔ)，這一過(guò)程是在向熵減小的方向發(fā)展。

此外，還有熱力學(xué)第三定律，其最初成型于沃爾特·能斯特（Walther Nernst）于1906年提出的熱定理。該定理指出：所有過(guò)程只有在溫度接近絕對(duì)零度（–273 ℃）時(shí)才會(huì)終止，這時(shí)熵不再變化。

20世紀(jì)的第一個(gè)10年迎來(lái)了熱力學(xué)第一定律的根本性擴(kuò)展。1905年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出了一種理論：質(zhì)量本身就是能量的一種形式。E=mc2可能是這個(gè)世界上最著名的方程式了，其表達(dá)的意思是：物質(zhì)的能量等于其質(zhì)量乘以光速的平方。根據(jù)這一方程，4 t物質(zhì)含有的能量就相當(dāng)于全世界全年的商用能量消耗，但物質(zhì)的這種驚人潛能仍然只是潛能，因?yàn)槲覀兩踔吝€無(wú)法將石灰石或水中的這些質(zhì)量能量釋放出來(lái)。

但在商用能量方面，我們僅有一個(gè)途徑可以將相對(duì)較多（但仍然非常少）的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量，那就是核反應(yīng)堆。1 kg鈾235的核裂變釋放的能量相當(dāng)于190 t原油燃燒所釋放的能量。在這個(gè)過(guò)程中，核裂變?cè)系馁|(zhì)量只會(huì)減少1 g，也就是其原質(zhì)量的千分之一。相對(duì)而言，1 kg原油加上其燃燒所需的氧氣燃燒后其總質(zhì)量只會(huì)減少百億分之一，這減少的質(zhì)量甚至無(wú)法用儀器測(cè)量出來(lái)。

能量方面的科學(xué)研究正如火如荼地進(jìn)行，在不到一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家們幾乎已經(jīng)完成了對(duì)能量現(xiàn)象的本質(zhì)的解釋。盡管已經(jīng)有了如此龐大且高度復(fù)雜的科學(xué)知識(shí)體系作為支撐，但要想透徹地理解能量的基本概念還存在一定的難度。相較于質(zhì)量或溫度等概念，想要用我們可以理解的方式來(lái)解釋能量的概念，其難度要大得多。20世紀(jì)最杰出的物理學(xué)家之一理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）1963年在其著名的《物理學(xué)講義》（Lectures On Physics）中就坦誠(chéng)地說(shuō)明了這一點(diǎn)：

重要的是要認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)如今我們并不知道能量究竟是什么。我們并不能用一幅圖來(lái)說(shuō)明能量是不是以定量的小塊形式出現(xiàn)的，因?yàn)槭聦?shí)并非如此。但是，現(xiàn)在有可用于計(jì)算某些數(shù)值的公式……然而，這些結(jié)果是很抽象的，無(wú)法告訴我們各個(gè)公式的機(jī)制或原理是什么。

盡管對(duì)能量這一概念進(jìn)行解釋很困難，但我們還是要努力讓這個(gè)抽象概念變得更容易理解。