前言

“能量”一词由托马斯·杨于1807年引入这些讨论，并在十九世纪中叶开始比“热质”等术语更受青睐，因为其应用范围更广，不限于热。该词在英语中已有使用，例如指“激动”的演讲，它源自古希腊语 ενεργια，结合了词根 εργεια（意为“活动”或“工作”）和前缀 εν–（意为“在……中”或“向……”）。

尽管该词的现代技术意义在十九世纪重新进入物理学，但亚里士多德常被认为是第一个在科学意义上使用这个希腊词的人，意为类似于“活力”的东西。因此，“能量”的词源有效地将其定义为与功相关——作为其内在来源。

尽管在稍带隐喻的意义上，我们可以说做功的能力沿着梯度流动，但更准确的说法是：做功的能力是一种梯度，存在一种沿着它趋于均衡和消散的趋势。因此，更准确地说，能量是一种差异或非对称的关系，体现在某种基底中，并且是自发不稳定和自我消除的——一种由第二定律描述的趋势。

正文

能量的故事：从蒸汽轰鸣到理解本质

今天，“能量”是个家喻户晓的词。我们充电、加油、关心电费，知道它驱动着整个世界。但你可能想不到，人类真正理解这个概念，竟花了近两百年时间——比从蒸汽机到智能手机的时间还长。这是一个关于我们如何摆脱直觉，最终窥见自然深层秘密的故事。

一、用而不明：工业时代的轰鸣与迷雾

早在科学家厘清概念之前，人类已经在熟练地“利用能量”了。18世纪的工业革命，正建立在对水能、风能和燃烧热能的驾驭之上。瓦特改良的蒸汽机轰鸣作响，明明在做着惊人的功，但当时的人们描述它，用的却是“力”、“活力”或“热质”流动这样模糊或错误的概念。

问题出在直觉上。燃烧会耗尽煤，就像汽车会耗尽汽油。这太容易让人认为，有一种“能量物质”被包含在燃料里，用完了就没了。当时的流行理论如“燃素说”（认为可燃物含有一种叫“燃素”的物质），正是这种直觉的体现。直到拉瓦锡发现氧气在燃烧中的作用，才打破了燃素的神话，但“热到底是什么？”依旧成谜。

二、破旧立新：发现联系的纽带

接下来的突破，源于一个关键洞察：不同现象之间可以互相转化。

一位名叫本杰明·汤普森的伯爵（又称伦福德伯爵），在监造大炮时发现，钻炮管会产生大量的热。他敏锐地意识到，热的产生似乎与机械运动（钻孔）直接相关，而且几乎是“取之不尽”的——只要不停地钻，热就持续产生。这强烈暗示，热不是一种物质，而是运动的一种形式。

窗户纸一旦被捅破，视野顿时开阔。进入19世纪，科学家们越来越清楚地看到：热、机械运动、光、电、化学反应……这些看似迥异的现象，竟然都能相互转换。这就像发现了自然界的“通货”——一定有某种共同的东西，在这些转换中保持本质不变。蒸汽机成为完美的研究模型，因为它系统地、可测量地将热（燃烧）变成了机械功。

三、量化与守恒：抓住永恒的影子

然而，转化并非完美。法国工程师萨迪·卡诺对蒸汽机的研究表明，热在变成功的过程中，总有一部分会“散失”，无法被利用。这暗示着某种不可逆的损耗。那么，到底什么在转化中永恒不变？什么又在不可避免地耗散？

英国物理学家詹姆斯·焦耳用他著名的实验给出了关键答案。他设计了一个精妙的装置，通过下落的重物带动浆轮搅拌水，精确测量了重物下落做的机械功与水温升高所需热量的关系。结果震撼而明晰：一定量的功，总能产生确定量的热。他找到了热与功之间的“汇率”，为“能量”确立了统一的度量单位——这就是我们今天所用的“焦耳”。

基于焦耳等人的工作，“能量守恒定律”得以确立：能量既不能被创造，也不能被消灭，它只会从一种形式转化为另一种形式。燃烧汽油，并没有消灭能量，只是将化学能转化成了热、运动和散失到空气中的内能。我们“耗尽”的不是能量本身，而是它**能被我们方便利用来做功的那种有序状态。

四、重新认识本质：能量是“会自我抹平的差异”

理解了守恒，更深层的问题来了：如果能量不是一种像水流一样的物质，那它到底是什么？驱动它流动、做功的动力又源自何处？

现代观点给了我们一个更精妙、更本质的答案：能量，本质上是一种“差异”或“不平衡”。

水温不同，热量就从高温处流向低温处。

水位不同，水就从高处流向低处，推动水轮机。

电压不同，电流就从高电势流向低电势。

自然界有一种强大的自发趋势：抹平一切差异，走向均衡。能量的“流动”，其实就是这种差异趋向于自我消除的过程。我们所利用的，正是这种自发过程所释放的潜力。

因此，更准确的图景不是“能量在流动”，而是 “存在一种差异（梯度），而这种差异有自我消除的倾向”。 当一块巨石位于山巅，它和谷底之间就存在着巨大的势能差异（由高度差体现）。一旦释放约束，这种差异就会驱动巨石下落，势能转化为动能，直到它停在谷底——差异消除，恢复平静。

回顾历史，牛顿已用精确的数学语言描述了机械相互作用的定律，但能量概念的厘清却在其后花费了两个世纪，这或许令人惊讶。毕竟，能量已隐含在力和功的概念之中，而这些概念可以通过涉及质量被加速、停止或抵抗阻力运动的简单方程进行精确测量和计算。并且，正是通过对水力、风力以及燃烧热产生的能量加以驯服、用以做功，才开启了那几个世纪工业革命的开端。然而，尽管如今能量的使用无处不在，但直到1807年，“能量”这个术语才被创造出来描述这一熟悉的科学概念。那么，为何这一过程如此违背直觉？

实际上，尽管在我们这个时代对能量充满关切——我们消耗它、为它付费、钻入地壳、分裂原子以寻找它——但要在精确意义上把握这个概念仍然困难。大多数时候，我们是在燃料燃烧产生热和压力以驱动机器运动或制造物品的语境中思考能量，或者将其视为一种无形的物质，通过电线从由燃烧燃料、落水重力或风力压力驱动的机器中流出，用于照亮黑暗房间或驱动计算机运行。我们发现它可以储存在高位的水中或电池内潜在的化学反应中。但这些观念的问题在于，它们与物理学最基本定律之一并不完全一致：在我们所谈论的过程中，能量不能被创造或消灭。

当我们燃烧化石燃料驱动汽车或烹饪食物时，我们“耗尽”了燃料，打破了其化学键，并且常常将废气排入周围空气；但能量并未被耗尽，它只是从一种形式转化为另一种形式。被消耗或失去的，是随后利用该能量做更多功的能力。随着化学键断裂和燃烧产生的热在使用后消散到环境中，它变得不那么可用于其他用途。能量依然存在，只是比之前分布更广泛，导致我们利用它做进一步功的能力已被削弱或完全丧失。

我们当代对能量的通俗理解，在许多方面仍被十八世纪末和十九世纪初的误解所束缚，即认为能量是某种可以储存和耗尽的东西，尽管我们不再视其为一种使可燃物挥发、使热物变热的无形物质。十八世纪中期，人们认为能够燃起火焰的物质含有一种称为“燃素”的无形物质。随后在1783年，法国化学家安托万·拉瓦锡发现空气中的一种物质——氧气——对燃烧至关重要，而非从燃烧材料中释放燃素。相反，他发现当物质被加热至燃烧时，氧气被消耗并与燃烧物质结合。他认为需要解释的是这一过程产生的热。

但热更令人困扰。由于热可以通过接触从一个固体物体传递到另一个固体物体，它不能仅仅像氧气那样是空气中的一种无形物质。类似于静电通过接触从一物传递到另一物，许多科学家认为热的传递是由于一种无形“以太”的转移，他们称这种无形物质为“热质”。然而，这种思维方式存在一个基本问题：这种假想无形、无质的物质可以转化为不完全符合其特性的现象——例如运动。显然，尽管运动物体可以交换动量（正如牛顿精确计算的那样），但它们的动量也可以转化为热，反之亦然。燃烧产生的热可以被用来产生运动，而一物与另一物相对运动产生的摩擦可以生热。这一棘手的事实由本杰明·汤普森在1798年明确揭示。汤普森对火炮镗孔过程中产生大量热的原因感到好奇。在测量热量时，他注意到镗孔量与热量之间存在对应关系。这使他得出结论：热必然也是机械运动的一种形式。

到十九世纪中期，人们已清楚认识到运动的质量、热、化学反应、光，甚至电都可以相互转化。需要有一种方式来描述它们共有的东西。蒸汽机的发明为关注此问题的学者提供了一种机器，它能系统地将燃烧热转化为可精确测量的机械力。随着这种新型通用引擎开始推动工业革命，理解这些物理量之间的联系成了一个实际问题。本世纪初一些关注此问题的理论家推测，这种转化至少必须是部分可逆的。这暗示在此类转化中可能实际上没有任何损失：热可以转化为运动，然后运动又转化回热，如此反复。但正是萨迪·卡诺1824年对热机运行中热转化为机械能的循环分析，为厘清这些转化中做功能力的守恒与损耗问题奠定了基础。他表明，尽管热和机械运动在理论上可以相互转化，但在现实世界中，总不可避免地无法实现无损转化。这是认识到永动机不可能的开始。

精确评估这一转化过程的关键一步，在于展示如何对其进行精确量化。完成这一步的是英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳。焦耳的研究始于探索蒸汽机和当时新发明的电动机作为工业应用潜在替代方案的相对经济性，特别是针对其家族的酿酒业务。这一分析使他迅速认识到，燃烧煤炭产生的机械能力远比电池化学能更高效。他对精确测量电、化学、机械和加热过程的兴趣，促使他建造了一个简单的装置来研究搅拌液体如何升高其温度。1843年，他证明了温升与投入搅拌的时间和努力精确成正比，他通过让搅拌器解开连接悬挂重物的绳子来测量这种努力。

由此，他确定了将热量单位转化为重量在重力作用下移动距离单位的精确对应关系。由于重力施加恒定的加速度，这转化为恒定的力乘以距离：即牛顿对机械功的度量。因此，焦耳能够测量从运动转化为热的是什么。这可以外推为一个转换关系，得出他所谓的“经济当量”的通用单位。该单位现在以他的名字命名。“焦耳”就是这个能量的通用标准：将一磅重物（例如，对抗重力）提升一英尺高度所做的功：“英尺-磅”。

确定一个通用的度量单位，为最终回答以下问题打开了大门：在这些转化中，什么被保存下来，什么被消耗掉了？令人惊讶的答案是：没有任何东西被消灭，但并非所有东西都能被回收。如此违背直觉的原因在于：尽管每种情况都涉及一种物理物质——落水、自发的化学反应、被加热的气体、运动的质量——但这些物质在相互转化的过程中并未被耗尽。因此，这些过程改变事物状态——做功——的能力，必然源于不仅仅是所涉及的材料本身。例如，与受压气体从一个容器移动到另一个容器不同，热从一个固体结构传递到另一个，并不需要某种物质（例如热质）从一处移动到另一处，然而气体的运动和热从一处到另一处的被动传递，都能转动工厂的轮子并移动质量。物质从一处到另一处的自发运动，与热在物质间的自发传递，二者的共同点在于：两个过程都涉及某种物理属性在分布上的差异的减少。这种属性似乎总是某种动态的东西，如运动，或潜在动态的东西，如压缩弹簧的张力。我们现在知道，在没有任何物质转移的情况下热被传递时，是一个物体分子的平动和振动运动向另一个物体分子的再分配，就像音叉的振动通过紧密接触传递给小提琴琴体一样。

因此，尽管在这些情况中确实有东西在“移动”，但它不必是物质或无形的以太。移动的是什么？关于答案有两个重要提示：（1）它是自行移动的；（2）它涉及某处材料的某种特性（更一般地说，是某种介质，如电磁场）与相邻处相应特性之间存在差异。如果这种差异涉及其中一方具有某种动态且可变的特性，它往往会自发地重新分布，变得更加均匀地分布到邻近区域，只要不被阻碍。这种差异可以采取多种形式：分子平均速度的差异、分子平均密度的差异、不同种类分子浓度的差异、电势的差异等等。当事物不均等，且未被阻止向相邻空间分布或传播时，它们往往会通过任何可能的路径自发地趋于均衡。可以说，自然界本质上是无偏的。

我们往往倾向于用过于具体的术语描述能量转化的过程。通常将这些转化描述为涉及能量从一处“流动”到另一处，就像描述电从发电厂流向家庭一样。我们谈论所使用的资源是“能源”，例如燃烧化石燃料释放的化学键能，仿佛它是该物质固有的东西。这种语言倾向于延续那种物质性误解，这种误解隐含在热质概念中。在这些转化中，“顺流而下”的，基本上只是一种“差异”。如果它是液体或气体某个子区域中的热，那么分子平均速度和振动的变化会沿着差异梯度传播，直到该梯度被消除。如果是压力差，则是分子间平均距离的传播。如果是电，则是相对电荷差沿导体的传播。尽管可能有体现这些差异的物质也随之移动，例如在水流或风中，但重要的是它们所体现的某种属性的差异（例如高度或压力）。

遵循我一直倡导的“图形-背景”重点转移，我建议理解能量是什么的关键，在于停止关注体现它的物质，转而考虑所体现的形式。在最抽象的意义上，能量是一种倾向于自我消除的差异关系。可以更准确地将其描述为分布在某种基底中的差异关系，如果不受阻碍，它将自发地趋于均衡。基底可以是任何东西，从被加热的固体物体到受扰动的电磁场。差异可以像一杯水中的水分子与滴入其中的一滴墨水分子之间的浓度差那样微不足道。在一个典型的热力学系统中，这种由热力学第二定律描述的趋于均衡的倾向，源于组分粒子（例如墨水分子）自发相互作用的细节中隐含的统计不对称性。随着时间的推移反复进行，这会产生一种巨大的不对称趋势，只有当分子的平均运动和位置变得彼此充分不相关，以至于相关性的增减都不再更可能发生时，这种趋势才会消除。

更重要的是，任何倾向于自我消除的差异都可以成为能量的来源。但前提是，这种自发趋势必须以某种方式受到约束。

回到我们开头的问题：为什么理解能量如此反直觉？因为我们的直觉锁定在“消耗物质”上，而能量的本质是蕴含在物质状态中的“关系”与“趋势”。

这个故事给我们的终极启示是：差异（能量）是自然馈赠的潜力，但约束才是创造价值的核心。闪电拥有巨大的电能差异，但若不加约束，只会瞬间消散成雷声与热量。只有当我们用导线、变压器、电路将它精细地引导、控制起来，才能点亮一盏灯，驱动一台电脑。从蒸汽机的气缸活塞，到电池的化学结构，再到生命细胞精密调控的离子通道，无一不是用来约束能量自发耗散的方向，使其为我们做有用功的巧妙设计。

这就是能量的简史：一部人类心智从追问实体到领悟关系的认知史诗。

我们曾以为自己在燃烧“能量”，后来才知道是在疏导“差异”。宇宙的本性趋向于抹平一切差异、走向热寂的平静。而生命与文明，恰恰是逆流而上的奇迹。它们并非在‘消耗’能量，而是在构建精巧的‘约束’——从蒸汽机的气缸，到细胞的膜通道，再到法律与市场——以此捕获能量自发耗散的洪流，令其在消散途中，为我们创造结构、信息与意义。

因此，或许驱动世界的，并非某种不朽的实体，而是那趋于平息的差异本身；而塑造世界的，则是那短暂束缚这平息之势，从而绽放出一切形态、思想与造物的，脆弱的约束之力。”