能量的来源

我们都是“太阳的孩子”

宇宙存在的基本形式是运动着的物质，运动需要能量。人类的生存与繁衍乃至文明的演化，也是一种物质运动，因而也需要能量。迄今为止，地球上万物生长所需要的能量都来自太阳。

黎明时分，日出东方。灿烂的阳光自宇宙洪荒开始，就一直照耀着地球。过去50亿年来，天天如此。神奇的大自然安排了一个巨大的发光发热体在我们所居住的地球附近，不太近，也不太远，正是这刚刚好的距离，才使得地球上的生灵能在和煦的阳光下生生不息。当我们沐浴在阳光之下时，觉得它是那么的温暖、安静、和煦。了解太阳，才能了解动力源泉；如果能够对这种动力加以支配，等于打开了星体的巨大能量宝库。

太阳的故事源于130亿年前的宇宙大爆炸。宇宙在瞬间诞生，自此以光的速度膨胀。宇宙之内至少有上千亿个银河系，人类所生活的银河系只是其中的一个。太阳只是银河系上千亿颗恒星中的一颗，占整个太阳系总质量的99.86%。太阳的直径约为139.2万公里（约为地球的109倍），呈现近乎完美的球形。相对于太阳来说，地球只不过是太阳系形成之时的残余散落碎片，太阳能够装得下130万个地球。从化学组成来看，太阳质量的3/4是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、铁、硫、氖在内的其他元素的质量不足总质量的2%。太阳的年龄在45亿年左右，已经度过了一半的主序星生涯。

太阳之于人类的意义，不论从哪个角度来看，都是无与伦比的。太阳光是最丰富的能源，是我们星球表面最重要的生命燃料。太阳这个炽热球体的内部，持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，不断地以电磁波辐射的形式，每秒向外输出3.9×1026焦耳的能量，分摊到地球上的只是太阳辐射总能量的22亿分之一。也就是说，太阳每秒钟给地球送来约500万吨标准煤的能量，穿过地球大气层时，53%的能量被大气层吸收和反射，剩下不到一半到达地球表面，虽落在陆地上的只有1/5左右，却已经是人类每年消费总能量的3.5万倍。

根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，若要产生如此规模的能量，太阳内原子核的质子-质子链反应和其他核反应每秒将消耗4.3吨的物质。太阳内部核聚变所产生的高能γ光子，从产生到转变为低能辐射再到飞离太阳表面，中间经过一系列缓慢的扩散，需要1万17万年的时间，而光子从太阳到达地球的过程仅仅耗时8分钟。一旦到达地球，它将在地球独特的大气、海洋和陆地环境中经过复杂的过程并最终被吸收和消耗掉。光的反射、吸收、散射和再吸收是地球生命得以存续的先决条件之一，它阻止了地表能量的散失，将地球平均温度维持在15℃左右的适宜水平。地球实际上是一艘不能着陆、无处停泊、无法维修补给的“地球号”太空船，孤独地在宇宙中航行，赖以生存的只有蕴藏于地球表面和地壳内部的资源，以及来自太阳的能量。没有太阳，地球只是一个死气沉沉的岩球，陷入永恒的荒芜和死寂之中。正因为如此，我们才说“万物生长靠太阳”。

太阳发出的光，是人类见得最多的东西。自古以来，它就理所当然地被认为是这个宇宙最原始的事物之一。人类深谙此道，因此一向膜拜太阳。在远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗，于是世界开始了运转。《圣经》中有许多对光的描述：上帝说“要有光”，就有了光。上帝看光是好的，就把光暗分开了。上帝称光为“昼”，称暗为“夜”。于是上帝造了两个大光，大的管昼，小的管夜，又造众星，并把这些光摆列在天空，普照在地上。可见，上帝要创造世界，首先要创造的是光，如果不最先创造出光，智者们会发出怀疑的声音。俄罗斯的陀思妥耶夫斯基等作家曾经质问：“既然第四天才有日月星辰，那么前三天的光是从哪里来的？”素有“氢弹之父”称誉的出生于匈牙利的美国物理学家爱德华·泰勒天资聪颖，好奇心强。他在上小学时，老师每天早上都不厌其烦地念叨：“上帝最初创造了天地。”泰勒则反问：“那么谁创造了上帝呢？”泰勒的好奇心，促使他成功地研制了氢弹，相当于在地球上模拟了一个微型“太阳”，他自己也变成了“光”的创造者之一，这种“光”就是他与千千万万的科技工作者劳动所创造出来的“资本”，不仅具有物质价值，更具有无穷的精神价值。

光在人们的心目中，永远代表着生命、活力和希望，更由此演绎出了数不尽的故事与传说。太阳对地球上的生物是如此的重要，以至于古人把许多美德和本领集于太阳神一身，把它当作神灵来崇拜。20世纪60年代，美国还把登月的宇宙飞船命名为“阿波罗号”。

希腊神话中有一位英雄人物叫普罗米修斯，他从天堂盗取了圣火，并教会人类使用火，结果使人类成为万物之灵。普罗米修斯象征着人类对美好未来的追求和对未知世界的探索，同时也代表了一种新的能源方案，或者代表了对新的能源方案的追求。

中国典籍中记载了两个关于人类与太阳进行抗争的神话故事：夸父逐日与后羿射日。夸父逐日是为了给人类采撷火种，使大地获得光明与温暖。夸父是“盗火英雄”，是中国的普罗米修斯。夸父逐日给人类的另外一个启示就是，生命有限的人类饱尝着时光流逝带来的痛苦，于是强烈地向往永恒，为追求永恒的生命而进行坚决的抗争。后羿射日的故事反映了古代中国人想要战胜自然、改造自然的美好愿望，是一种不屈的抗争精神的反映，同时也是一种追求能源供应均衡的朴素的物质观和消费观。

世界上再也没有比太阳更美好的东西了，它赐予人类温暖和光明，滋养着美丽的花草树木使其茁壮成长。正是基于这个理由，古老的印加人称自己为“太阳的子孙”，他们将太阳视作“燃烧的火鹰”，渴望用“拴日石”将带来光明和温暖的太阳永远留在天上。正如俄罗斯著名地球化学家弗拉基米尔·沃纳德斯基所说的那样，我们都是“太阳的孩子”。

太阳对于人类最大的价值，就在于它给人类提供了生存所必备的条件：能量。我们可以从两个方面理解这个问题。首先，从人类生存的需要来说，太阳所发出的光之中能够传递到地球上并为人类所直接或间接利用的那部分能量，是最重要的自然资源。其次，正如德国著名诗人歌德在《浮士德》中所说的“万物昙花一现，却总有痕迹留下”，这痕迹就是由花草树木变成的能源（石油、煤炭、天然气，等等）。这些人类赖以生存的能源形态，就其本质来说，都是由吸收太阳光之后转化而来的。通过对太阳的不断深入探究，人类了解了太阳的热能和光能的产生原因，同时也更加了解我们居住的这颗美丽的星球，原来在众多方面都深受太阳的影响。太阳支配人类的生活作息，正所谓日出而作，日落而息。人类不断地观测、收集、改良和尝试，学会了利用太阳的无穷力量造福千秋万代。

能量的基本法则

能量的英文“energy”一词源于古希腊语，意指“活动、操作”，首次出现在公元前4世纪古希腊哲学家亚里士多德的作品中。公元16世纪，意大利科学家伽利略的时代已出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。能量概念出自17世纪德国科学家莱布尼茨的“活力”想法，定义是一个物体质量和其速度的平方的乘积，相当于今天所说的动能的两倍。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼茨认为热能由物体内的组成物质随机运动而产生，这种想法与牛顿一致，虽然它过了一个世纪才被普遍接受。1807年，英国物理学家托马斯·杨在伦敦国王学院讲授自然哲学时，针对当时的“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词表述，并和物体所做的功相联系，但未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年，法国物理学家科里奥利又引进了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2（系数），称为动能，通过积分给出了功与动能的关系。后来，1853年出现了“势能”,1856年出现了“动能”等术语。直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。

能量是一个间接观察的物理参量，被视为某一个物理系统对其他物理系统做功的能力，也就是改变体系状态（温度、速度、位置和化学组成等）的能力大小。功的定义是，用力将某一物体移动一定的距离，而力是指移动某一物体时所施加的作用的强度。做功的多少，取决于对物体施加力的大小和物体所移动的距离。功的最经典例子，就是克服重力而将一定质量的物体提升一定的高度。

能量虽然是一个基本的物理概念，但同时也是一个抽象的物理概念。对于普通人来说，能量这个概念，似乎极为普通，而且也很好理解。但如果探究能量的本质，对于科学家来说，也是一件极为困难的事情。被认为是继爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家、1965年诺贝尔物理学奖获得者的理查德·费恩曼说：“重要的是要认识到，在今天的物理学中，我们不知道能量究竟是什么。”能量与物质是什么，以及它们之间为什么要统一，这些问题都属于最基本的哲学范畴。爱因斯坦的质能方程E=mc2，或许能够帮助我们正确理解能量的概念，就如同水和冰，能量和质量也是同一种事物，只是由于存在形式的差异，才使它们看起来大相径庭。事实上，能量与时间一样，是所有人都非常熟悉却又难以准确定义的一个概念，我们只能从能量大小的改变和存在形式的转换所触发的一些现象来理解能量。比如，灶下燃烧的木材把一锅水烧开了，这是木材所蕴含的能量所致；刚才还是饥肠辘辘的一个人，连一步也走不动了，一个面包和一瓶矿泉水下肚，立刻就变得生龙活虎，这是食物和水所蕴含的能量所致。在日常生活中，我们就是通过这些事实来感受能量的。

能量的概念是如此的晦涩，以至于人类理解和掌握能量背后决定性的规律就更加困难。1820—1940年，大批科学家和工程师为此进行了大量开拓性的工作，驱动整个宇宙的一些内在规律被逐一揭示出来，其中最伟大的成就之一便是发现了热力学的三个定律。关于热力学定律的重要意义，英国著名化学家、1921年诺贝尔化学奖获得者弗雷德里克·索迪说：“政治体制的变革，民族的自由或奴役，商业和工业的运动，富裕和贫穷的来源，最终都由热力学法则决定。”热力学法则，就是能量的法则，它是对人类文明进步驱动力的描述。

热力学第一定律，即能量守恒定律，其具体表述是：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。能量具有多样性，物体运动具有机械能，分子运动具有内能，电荷运动具有电能，原子核内部的运动具有原子能，等等。由此可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。不同形式的能量是可以相互转化的，“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能，等等。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，而且这些转化是通过做功来完成的。

在工业革命的推动下，蒸汽机被广泛使用于工业交通领域，人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。为了解决这个问题，人们开始研究热和机械能之间的关系。德国物理学家迈尔第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到物理学界的确认却是在英国物理学家焦耳的实验结果发表以后。焦耳于1840—1848年做了大量实验，测定了热与多种能量相互转化时的严格的数量关系。焦耳的实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总量不变。能量守恒定律的建立，对制造第一类永动机的幻想做出了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：不可能制造出第一类永动机。

热力学第二定律，有两种表述。德国物理学家克劳修斯的表述为：热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。英国物理学家开尔文和德国物理学家普朗克的表述为：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全转变为功，而不产生其他影响。热力学第二定律的两种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中发生的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

热力学第二定律也称为熵增加原理。熵（entropy）这个概念是克劳修斯创造的，是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量，其物理意义是对体系混乱程度的度量。1932年，德国物理学家、量子论创立者之一的普朗克来中国南京讲学，浙江大学教授胡刚复为普朗克担任翻译。在普朗克介绍“entropy”这个词时，胡刚复创造性地将热力学的“火”和数学的“商”组合起来，造出一个新汉字——熵，从此沿用至今。熵增加原理的表述是：在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大的方向变化，使整个系统的熵值增大。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热能，使熵增加。机械手表的发条总是越来越松，你可以把它上紧，但这就需要消耗一点儿能量，这些能量来自你吃掉的一块面包，做面包的麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量，太阳为了提供这些能量，需要消耗氢来进行核反应。总之，宇宙中每个局部的熵减少，都必须以其他地方的熵增加为代价。因此，整个宇宙可以看作一个孤立系统，是朝着熵增加的方向演变的。在一个封闭的系统里，熵总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦达到热动平衡状态，就完全死亡。这种情景称为“热寂”。

热力学第三定律也有两种表述。其一，绝对零度（T=0K即-273.15℃）时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。其二，绝对零度不可能达到。

除上述三大定律之外，还有一个热力学第零定律：如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也必定处于热平衡。热力学第零定律是热力学三大定律的基础，它定义了温度。因为在三大定律之后，人类才发现其重要性，故称之为“第零定律”。

热力学定律所描述的是系统的演化规律及其方向性问题。根据热力学第二定律，对于事物来说，其能量趋于退化，结构趋于解离，万物趋于灭亡，这是一个不可逆的过程，也是一个从有序向无序的发展过程。达尔文的进化论则揭示出生物进化总是从简单到复杂、从低级到高级、从有序程度低的组织到有序程度高的组织进化，即生物世界是从无序向有序发展。由此可见，物理学和生物学所揭示的事物演化过程是两种相反的过程。面对这种局面，比利时物理学家、化学家伊利亚·普里高津发展出耗散结构理论。该理论从热力学第二定律出发，讨论了一个系统从混沌无序向有序转化的机制、条件和规律，回答了开放系统如何从无序走向有序的问题，解决了退化与进化的矛盾。

普里高津认为，一个典型的耗散结构即宏观有序结构的形成和保持，至少需要具备三个基本条件：一是系统必须是开放系统，即必须不断地同外界进行物质和能量的交换，孤立系统和封闭系统都不可能产生耗散结构；二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一种更为高级的有序；三是系统中必须有某些非线性动力学过程，如正负反馈机制等，正是这种非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。他把这种开放的、远离平衡的系统，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部非线性动力学机制形成和保持的宏观时空有序结构，称为“耗散结构”，该理论有助于人们理解一个开放的系统是如何从混沌、无序走向规则、有序的，因而具有革命性的意义。一个对象要想在实践中获得存在与发展，必须不断地从外界引入负熵，以抵消对象体内正熵的增加，从而确保对象不断地走向更高层次的稳定有序结构。普里高津也因为此项贡献而获得1977年诺贝尔化学奖。

上述热力学的四大定律，可以使我们对热、温度等平时耳熟能详的概念有一个更加深入的理解，从而帮助我们理解能量的概念及其来源；耗散结构理论可以帮助我们理解能量是如何在一个开放系统中进行演化的。