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246 世 界学 Shi Jie Xue

虑此系统和另一个系统交换能量，而合成的较大系统不随时间改变，这个较大系统
的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中，因此可

以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论，由于
量子力学允许短时间内的不守恒（如正 - 反粒子对），所以在量子力学中并不遵守

能量守恒，而在狭义相对论中能量守恒定律会转换为质能守恒定律。
人们根据大量实验确认了能量守恒定律，即不同形式能量之间相互转换时，其

量值守恒。焦耳热功当量实验是早期确认能量守恒定律的有名实验，而后在宏观领
域内建立了能量转换与守恒的热力学第一定律。康普顿效应确认能量守恒定律在微

观世界仍然正确，后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性决定的，从而
使它成为物理学中的普遍定律。在一个封闭的力学系统中，如果没有机械能与其他
形式能量之间相互转换时，则机械能守恒。机械能守恒定律是能量守恒定律的一个

特例。
应当注意，能量这一概念有其应用范围，根据广义相对论，在一定条件下就不

再能使用能量这种量度。
狭义相对论中的相对论性力学要比牛顿力学更精确地描写了物质的力学运动规
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律。质能关系（E=mc ）把惯性质量与能量联系起来；因此，相应于静质量、动质量、
相对论质量（总质量）有静能量（固有能量）、动能、总能量。物质的总能量写成：
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2
2
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1/2
2
2
E=（m 0 c +p c ） =mc =m 0 c /(1-v /c ）1/2
式中，m 0 是物体的静质量，m 是相对论质量，c 是真空光速，v 是物体在惯性
系中的运动速度的大小（绝对值），p=mv 是物体动量的绝对值。物体的动能 T 等
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于总能量 E 减去静能量（E 0 =m 0 c ）：
2
2
2
2
T=E-E 0 =m 0 c （1/(1 － v /c )1/2-1），约等于 m 0 v /2。
低速近似下（非相对论）的动能成为牛顿力学中的形式。由于质能关系，质量
守恒包含在能量守恒之中。
机械能、化学能、热能、电（磁）能、辐射能、核能等不同类型的能量之间相
互转化的方式多种多样。例如，最常见的电能（交流电和电池）可以由多种其他形
式的能量转变而来，如机械能 – 电能的转变（水力发电）、核能 – 热能 – 机械能 –

电能的转变（核能发电）、化学能 – 电能的转变（电池）等。不同类型能量之间可
以相互转化。