1.1.2　能量的概念

关于能量，物理学的通常定义是指物体运动转换和系统做功的度量。做功的定义是一个物体在受力的情况下运动一定距离与受力的乘积，或更确切地讲是物体受力沿运动轨迹积分的结果。所以能量是导致物质运动和变化的驱动因素。自然界中能量的形式很多，根据其性质可以分为势能、动能两大类。势能的主要特征是与位置相关，典型的势能有重力势能、弹性势能、化学势能和原子核能等。动能的主要特征是与运动相关，典型的动能有机械能、声波能、热能等。与电磁相关的能量既有电磁波所携带的动能，又有存储在电场和磁场中的势能。能量的度量单位是焦耳（J）。能量在转换过程中可以有不同形式，但总量保持不变，此现象称为能量守恒定律。

对于信息科学与技术来说，最重要的能量是电子所具有的势能和动能以及与其密切相关的电磁场与电磁波。固体物质中的电子作为一种带电荷粒子本身具有一定的势能，电子在电磁场（力）的作用下发生运动获得动能从而产生电流。我们将一个电子经过1V电位差（电压）加速后所获得的动能定义为电子伏特（eV），并将此作为衡量微观现象中能量的一个基本衡量单位。1eV的能量等于1.6×10－19J，是一个极小的能量衡量单位。

电磁波是一种承载能量的波动电磁场。电磁场是电磁力与能量的空间分布，虽然看不见摸不着，却是实实在在的客观存在。人类对电磁场的认识在很早就开始了，法国物理学家库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736—1806）、法国物理学家、数学家安培（André-Marie Ampère，1775—1836）、英国物理学家法拉第（Michael Faraday，1791—1867）以及德国数学家、物理学家和天文学家高斯（Johann Karl Friedrich Gauss，1777—1855）等均对电磁场理论的建立做出了开创性的贡献。但真正发现和建立电磁场理论框架并首次预见电磁波存在的却是英国数学物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）。与普通的波（如声波等）相同，电磁波具有一定的波长（或频率）和传播速度。电磁波波长范围极大，目前所知的可以从10－18m（γ射线）到100km（长波无线电），对应的频率范围为3×1026Hz（赫兹）到3×103Hz（图1-2）。与我们所知的任何其他波（如声波）不同的是，电磁波（如光波）传播的速度极高，在真空中为299 792 458m/s（约3×105km/s）。更加有趣甚至怪异的是，这个数值只与电磁波传播的介质有关，与观察者的参照系无关！1887年，波兰裔美国物理学家迈克耳孙（Albert Michelson，1852—1931）著名的干涉实验证实光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，是一个与参照系无关的常数。这无疑是一个违反直觉和常识的结论，却成为近代物理学的基本理论基石之一。正是基于这个实验观测，犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1878—1955）在1905年建立狭义相对论时认为光速是绝对的，光速至今仍被认为是宇宙间物质与能量运动和传输的最高速度。根据狭义相对论，时间与空间均是与参照系的相对速度相关的物理量，不再是绝对不变的，这引发了一个非常有意思的物理现象，即“同时性的相对性”，如一位乘坐接近光速宇宙飞船的宇航员父亲在执行完任务回到地球后却比一直待在地球上的儿子更年轻。关于电磁波在不同材料和环境中运动的规律和特性，读者可以在相关的教科书和参考书中学习和了解。在这里要强调的是，电磁波作为一种能量的载体，可以在介质（如空气和固体材料等）中以极高但有限的固定速度传播。正是电磁场的不同特性（如波长、强度、极化和角动量）和状态，使其成为数据（信息）传输、传感等的最佳载体。

图1-2　电磁波的波谱

作为物质形式的电子、电流和能量形式的波动电磁场之间存在着密切的联系。运动的电子（电流）是产生电磁场的发射源，而电磁场是导致电子运动的驱动力。电子与电磁波作为数据存在和运动的载体，构成了现代信息科学与技术的物理基础，也是数据、信息器件和系统设计、运行所遵循的自然规律。从这个意义上讲，信息科学与技术基础的本质是电子学和电磁学。对此，从事信息领域的学生和专业人员均需要有充分的认识和重视。

在不同能量的类型中，与我们日常生活经验密切相关却又相当诡秘的是热能。热能是一种存在于物体内部的能量，与物体中微观粒子（分子、原子、电子）的运动状态相关。产生热能的微观物理机制源于构成物体的微观粒子处于永恒的热运动状态。虽然单个粒子的运动是无序的，但大量粒子的运动遵循物理学统计规律，导致所构成的系统（物体）的宏观特性（如体积、压力、温度）在宏观状态下具有有序性和稳定性。其中温度是衡量微观粒子存储热能密度的物理参数，与粒子动能或速度的系统平均值相关。温度越高，粒子存储热能的密度越高，对应的平均速率越高。换一个角度，“温度”也是物体中决定粒子在不同能级分布的物理参数。温度越高，处于高能级状态的粒子则越多。近代物理对产生热能的微观物理机制不断有新的认识，发现产生和决定热能的是围绕原子核电子的运动方式和行为。既然如此，一定会存在一个最低的绝对极限温度，在此绝对零度（摄氏温度－273℃）下，微观粒子趋于“静止”状态或处于最低的能级。“热量”则是描述物体中热能流动或传递的物理量，本质上是由于物体内不同系统（区域）温度差而导致的能量转化过程中所做的功或传递的热能，即热量等于流动的热能。

热能与热量除了遵守能量守恒定律（也称为热力学第一定律）之外，还遵守另外一个普遍的物理定律，即热力学第二定律（图1-3）。这个定律是建立在热量总是从温度高的系统向温度低的系统单向流动这一普遍观察基础上的。从微观的视角，系统的微观状态是无序的。温度越高，不仅粒子的平均速度越高，并且不同粒子速度的统计分布范围也越宽，这意味着微观状态的不确定性越高。有趣的是，如果我们对系统的微观状态做统计分析，就会发现最无序的状态却是出现概率（可能性）最大的状态！这听起来有些不可思议，为什么物理系统总是趋向于更加无序的状态呢？

图1-3　热能、热量与温度的关系

虽然能量从一种形式（如势能）到另一种形式（如动能）转化的过程中其总量不变，但在能量转化过程中总会有一部分能量转化为不可利用的“损耗”即热能，在物理上定义为“熵”（entropy）。物质与能量的运动与变化所遵循的热力学第二定律可以表述为：一个封闭系统的熵随着时间总是增加的。这意味着能量转换过程是不可逆的，每次转换总会伴随一定的能量变为不可利用的熵。能量转化越多、越快，所产生的熵则越大。熵所代表的能量的主要特征是所对应物质的微观状态数即“混乱度”。熵越高，物质的状态数或无序性便越高。这好像与我们通常的主观愿望相悖，却是宇宙中普遍适用和不可违抗的客观规律。理论上讲，物质宏观状态总是倾向于从有序到无序的规律与时间的单向性指向是一致的，也可以作为时间单向性的一种注释。在实际中，转为热能的能量不仅降低了能量的利用效率，也会引起物质温度升高，从而影响相关系统的性能。对于数据（信息）系统来讲，能量效率和热量管理是工程设计和科学研究的重要领域，也是最终限制技术和系统性能的物理极限。对此，我们将在第2篇“数据法则”中做进一步探讨。