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第七章 物理世界的重构

第 6 篇 能量是什么？

能量与质量一样，虽然都是相对性概念，但相对速度为零时，能量与质量都不为
零，所以能量与质量在相对性中都隐含着绝对性。对一个物体来说，状态改变必定伴

随着能量的改变，状态与能量具有一一对应关系。状态有两类，一类是结构状态，研
究的是静态性质；另一类是运动状态，研究的是动态性质。

一、能量的静态意义

电子与质子荷量相同，质量却相差 1836 倍，其能量也相差 1836 倍，证明能量与
质量具有直接的对应关系，但能量与荷量没有直接的对应关系。描述能量与质量之间
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对应关系的数学公式是质能方程（E=mc ），但质能方程也没能提供一个能量是什么的
完整解答。

宇宙中“存量”的能量形式确实都与质量相关，人类经过了一个漫长的历程才认
识到它们之间的对应关系。原始人已经知道燃烧木材取暖和烤熟肉类，三千年前人类
发现了煤和石油，使用量一直慢慢增加。1942 年费米在实验室实现了可控核裂变，

1950 年达到了实用程度。
在核裂变反应中，科学家发现伴随热量的放出会有质量的亏损，这促使爱因斯坦
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在 1905 年发表了质能转换方程。质能方程 E=mc 让人们理解了放热与质量亏损的关
系，这时科学家才猛然醒悟，就算是木材、煤、石油那样的化石燃料放出热量，也同
样有质量亏损。
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燃烧反应的质量亏损比率微不足道（约为 3.3×10 ），因此无法测量，核反应的
质量亏损已经明显可测（约为 0.1%）。正负电子发生湮灭，如果其间没有生成中微
子，仅仅是放出一对伽马光子，那么质量与能量将发生完美转换，伽马光子的能量与

正负电子的质量相当。这意味着，1 公斤正负电子湮灭放出的热量相当于 1 吨铀核聚变
反应放出的热量。
能量与质量具有质能方程所描述的数量关系，而能量与电荷却没有什么数量关
系，是否真的能量与电荷无关？实际上恰恰相反，前面对辐射的探讨已经得出了一个
结论：所有的光辐射都与麦克斯韦辐射有关，光子都是通过麦克斯韦辐射产生的。也

就是说，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，其间会辐射出
光子，随之电磁场强度则会衰减。
不管是结构状态发生变化辐射出的光子，还是“轫致辐射”产生的光子，本质上

都是麦克斯韦辐射。从深层次来说，这个宇宙中所有的能量均由电磁场的能量转换而
来，场能是宇宙中一切能量的来源。量子涨落是宇宙的固有特性，每一个电量子的涨

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