能量是什么

能量是什么海森堡说：通过寻找越来越小的物质单位，我们并不能找到基本的物质单位，或曰不可分割的物质单位，但我们却的确碰上了一个点，在这一点上，分割是没有意义的。面这段话，无异于对自希腊哲学原子论产生以来，直到上世纪前期，人们对于物质及物质世界看法的一个根本的否定——物质，并不是由不可分割的物质单位，即原子构成的。尽管如此，人们仍然从传统的物质观念出发，去千方百计地统一量子力学所揭示的“四种基本力”，以为这样，就能够统一地解释物质世界了。但是，即使人们能够找到一种办法，实现了所谓的大统一或超统一，但是，这种统一的结果，又能说明什么呢？魏泽克说“假如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没明白量子论。”因为，量子论向人们揭示的，并不是什么微观物质世界的结构或规律，恰恰相反：它告诉我们，物质世界是终极混沌的，它并没有可被人们直接观察到的确定的结构，更没有什么规律可言。这种情况，实际上迫使物理学们不得不回过头来重新思考：自己先前认定的、似乎已经完全确定了的，关于物质结构、世界秩序和规律等等的观念，到底是怎么产生的？可以说，直到目前的一切科学理论，实际上都产生于一种来自神学的坚定信仰。正如爱因斯坦所说：科学家们的一切努力，实际上都是想知道并告诉人们上帝到底为我们创造了一个怎样的世界。科学之所以能成为科学，只是因为它把人们生活于其中的宇宙当成一个井然有序的宇宙，这宇宙符合质朴的数学定律。而科学家的工作，就是发现、讲述世界的井然秩序，并将其有序地分门别类，而并不是对世界的秩序到底是怎么来的提出疑问。但神学家们却不然，他们一直在努力地寻找关于物质世界存在的秩序是由上帝的存在和创造所造成的证据。可见，科学家和神学家的努力并不冲突，他们实际上在共同地为上帝工作：神学家要证明：上帝是存在的，并且创造了世界；而科学家则要揭示，上帝创造的世界究竟是怎样的。实际上，一直有人认为，西方科学的出现，是由基督教—犹太教的传统促成的，因为这种传统强调，上帝有目的地把宇宙组织起来，而这种组织可以借助理性的科学研究被人们发现。这应该是一种哲学，斯蒂芬·黑尔斯的话似乎体现了这种哲学的精义。他说：“既然我们确信全知的造物主在创造万物的时候遵守了最为严格的数、重量、尺度的比例，所以，若想洞见进入我们的观察范围之内的那些被造物的本质，最有可能成功的方式便必定是从数、重量、尺度入手。”而我们当代中国人，特别是所谓的科学共同体内的人们，都带有这种坚定的信念。如果我们带着这样的信仰去看世界的话，那么，世界的井然有序似乎是自明的。不管我们把目光投向何方，从遥远辽阔的星系，到原子的极幽深处，我们都能看到规律性以及精妙的组织。我们所看到的物质和能量的分布并不是混乱无序的，相反，它们是按照从简单到复杂的有序的结构安排的，从原子和分子，到晶体、生物，到行星系、星团等等，莫不是井井有条，按部就班。而且，物质系统的行为也不是偶然的，随机的，而是有章法、成系统的。这一切，都会使科学家和相信科学的人们在面对世界难以捉摸的美和精妙时，常常感到一种敬畏和惊奇。认识世界的方法，首先是分割世界，而将不同种类的秩序区分开来则是分割的开始。首先，有一种质朴的秩序，如我们在太阳系中或在钟摆的摆动中所看到的那种可以还原到机械运动的规律性。还有一种复杂的秩序，如木星在旋转的大气中的气体排列，或一个生物的组织结构。无论哪一种秩序，在还原论者看来，它们都是由最简单的成分所构成的，唯一的区别仅仅在于，那些最简单成分的排列、组合方式的不同。因此，无论多复杂的秩序，它们最终都可以被还原为一种可以用数学式子或模型所表示的固定的秩序和规律。例如，有些人以为的所谓“现代生物学”，就是揭示一切生物体是如何由最简单的基因按照复杂的秩序组合起来的东西。但是，生物体何以会进行那么复杂的组合呢？这恐怕就只能运用目的论来解释了。人们相信，在复杂的秩序中，一个系统的所有的组成部分之所以能够和谐地组织在一起，目的，似乎在于通过合作的方式去实现一个特定的目标。当然，如果要再问，这种目的是怎么产生的？那恐怕只能去问上帝的意志和他的工作了。至于物理学，我们知道，揭示复杂秩序并不是它的工作内容，因此，我们还是回头看看它所揭示的简单秩序和由这些秩序构成的物质世界。这些秩序都是非常质朴的，理论物理学的新发现，都是为了证明：数学规律是如何在控制着世界的那些重要过程和方面。其实，并非没有人对理论物理学家们的信仰提出质疑。例如，康德就认为，科学所描述的世界，并非世界本身。科学家们不过是把人的精神和自己大脑中的秩序强加给了世界。对于康德的质疑，也许很多科学家会不以为然。在他们看来，康德根本就不懂原子或原子核的结构，所以，他不可能知道，后世的人们通过对原子结构的研究，而发现到的一个真理：原子也具有太阳系组织的那种数学规律性。这似乎说明，世界的本来秩序，跟人们选择的观察世界的方式没有任何关系。而且，科学家们还发现：亚核物质也是服从某些质朴有力的对称原理的。人们很难相信，在某些基本力的作用过程中，左右对称是无意义的。因此，要说这些数学规律性与人到底有什么关系的话，那也只能是对人类精神的一种赞美。所以，物理学家们一直遵循着科学的还原论，并以此信念来揭示大自然中的质朴有序：把复杂的系统分解成较为简单的部分，再分别对这些部分加以研究。一切物质都是由少数基本单位（即最初的“原子”）组成的，这个起源于古希腊人的观念。直到上个世纪，由于分割物质的技术、手段的进展，才使物理学家们能够深入地考察、了解原子本身的作用。而最先开始这样作的是卢瑟福。他发现，原子根本就不是基本的粒子，甚至，也不是传统意义上的实体。因为，原子的质量大部分集中在它小小的原子核内，原子核只有1厘米的1万亿分之1大小。核的周围包围着由电子云，电子云延伸的距离达1厘米的1千万分之1。因此，一个原子的绝大部分都是一无所有的空间，加上量子因素排除了任何电子具有精确轨道的可能性，这似乎让人觉得，原子象是一种非物质的、模糊的个体了。那么，是什么使电子云中的电子与原子核不即不离的呢？物理学家们设想，在电子与原子核之间存在一种“电磁力”，这种力，使得电子离不开原子核，原子核带有正电荷，电子带有负电荷，由此构成了原子核周围的电场，电场使带负电荷的电子逃脱不了。那么，原子核就是不可分割的实体了吗？物理学家们发现，它只是一种复合体，是由两种粒子组成的，一种粒子叫质子，带正电荷，另一种粒子叫中子，既不带正电荷，也不带负电荷。质子和中子的质量分别都是电子质量的1800倍。不管怎么样，只要能够发现原子的基本构造，物理学家们就能够将量子论应用于原子，从而揭示出一种惊人的和谐了。让我们先看看电子云。电子的波的性质通过电子存在于其中的某种固定的“定态”或“能级”中并将它自己表现出来。假如能量以光子的形式被吸收或被发射，就会发生能级之间的跃迁。因此，能级的存在是以光能的形式显示出来的，至于光能的情况，我们可以从光的频率，即颜色推断出来。物理学家们分析原子所吸收或发射的光，发现了一种光谱，光谱是由一系列谱线或不连续的频率组成的。让我们先看看一种结构最简单的原子，即氢原子的和谐。我们知道，它的原子核只是一个质子；它的核外电子也只有一个。由此，也就有了玻尔的类氢原子能级公式。我们中国的高中生都知道，这个公式就是E=[-2(pi^2)*m*(Z^2)(e^4)]/[(n^2)(h^2)]。这种紧凑简洁的算术式，会使人想起音乐的音调，比如吉他或管风琴上的泛音，这些音也可以用简单的数字关系来表示。不过，这在物理学家看来，却并不是偶然的巧合。一个原子的能级的排列是与量子波振动相对应的，正如一部乐器的频率是与声音的振动相对应一样。但是，如果物理学家不把在氢原子中，使电子束缚于质子的“电磁力”在数学上简化，那么，原子的和谐就不可能如此简洁完美了。由此可见，原子就是依存于这种简化，才显得如此和谐的。我们知道，使电子束缚于原子核的电磁力满足，或者说服从于一个叫作“平方反比定律”的、著名的物理学定律。这个定律说的是，假如质子和电子之间的距离加倍，二者之间的电磁力就降低为原来的4分之1；假如二者之间的距离是原先的3倍，二者之间的电磁力就降低到原先的9分之1，依此类推。。。。。。平方反比定律是神奇的。它所揭示的这种井然有序的数学规律性，我们在引力系统中也是司空见惯的。例如，行星和太阳之间的引力就是这样。平方反比定律导致了太阳系的引人注目的规律性，这些规律性都可用算式表示。运用这些算式，人们似乎都已经预测到了日食月食以及其他的天文现象。不过，在物理学中，原子的这些规律是量子性质的，它们表现为能级的排列和原子发射出来的光的频谱。虽然如此，太阳系的规律性和原子的规律性都是来自平方反比定律这种简洁的质朴性的。由于原子核也是有结构的，所以，物理学家们探寻原子核的内部结构时，最主要的工作，就是寻找使原子核结成为一体的力。显然，这种力不可能是引力，因为引力太弱；也不可能是电磁力，因为同性的电荷是相斥的。所以，带有正电荷的质子如何竟能在一起相安无事，不离不弃就成了一个谜。显然，必定有一种很强的吸引力来克服质子之间的、同性电荷间的斥力。使原子核结成为一体的力，既然比引力和电磁力都强得多，那它的作用范围就必须限定在质子的一定距离之内，并且，一旦超出这个范围就必须突然消失掉。否则的话，原子就不可能具有人们所观察到的那种结构了。由于这种强力的作用范围很小，至少比原子核要小，所以，物理学家把它称为“核力”。只有与质子距离最近的粒子才处于核力的作用范围之内。我们知道，中子和质子都是处于核力的作用之下的。核力，不仅是物理学家通过思辨发现的，而且也是通过他们分割原子核的实验感觉到的。因为，他们在分割大多数原子核时，都要用很大的力量才能破开。他们发现：越是轻的原子核，越难以分割；越是重的原子核越容易分割。物理学家们把这种情况称为原子核的裂变稳定性。物理学发现，任何原子核在发生裂变的过程中，都会释放出能量。这种现象，就是我们都知道的核能或原子能的获取过程。分割原子核的结果，使物理学家们感到了一种前所未有的困惑——尽管在原子核中的核粒子也是按不连续的量子能级排列的，但是，它们已经没有原子和谐的那种质朴性了。这就是说，核作用力，并不像电磁力那样遵守质朴的平方反比定律。可见，原子核的复杂性，不是因为组成它们的粒子数目多少，而是因为核作用力并不像电磁力那样，遵守质朴的平方反比定律。那么，是什么导致了核力的这种特殊性呢？在上世纪30年代，物理学家们都认为：这种特殊性是与粒子的结构，即原子核的本身分不开的。在经典物理学中，总是把物质和力看成是两个独立的、可以分开考察的概念。力可以通过引力或电磁效应作用于两个物体之间，或直接通过接触作用于物体。通俗点儿说，一个是物体间的有距力；另一个是物体间的接触力。但是，如果我们把物质只是看作力的来源，而不是力的传播媒介的话，那么，来自太阳的引力就是跨越一无所有的空间作用于地球的。用场的语言来描述就是：是太阳的引力场在与地球发生相互作用，并对地球施加了一种使其不即不离的力。由于在亚核范围内，已经不再遵守质朴的平方反比定律，而是与核本身的粒子结构有关，即量子效应的作用，因而就需要用另一套语言来描述了。量子论的一个中心论点是，能量是以不连续的量的方式传导的。这就是量子和量子论的由来。也是当代人类对于能量的最初和最基本的理解。一旦形成了某种基础性的观点，人们就会以此观点去看待一切。所以，量子论，作为一种基本观点，并不仅仅是关于原子核的。以量子论的观点来重新考察原子，人们也就可以把光子看成是电磁场的量子。当两个带电粒子互相靠近时，就受到了它们都有的电磁场的影响，电磁力就在它们中间起作用。电磁场使它们的运动轨迹发生偏转。但一个粒子通过场对另一个粒子所施加的扰动必须以光子的形式传导。因而，带电粒子之间的相互作用不是一个连续的过程，而应被看作是由一个或多个光子转移造成的脉冲。这就是我们已经耳熟能详的电磁脉冲现象。在电磁现象中，有一个光子往返于两个电子之间，使这两个电子既分离开来，又相互作用着。这种电子之间的相互作用机制，仿佛两个打网球的人，他们因网球的往返而建立了彼此间的动作联系。因此，光子在两