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对能量本质的探究和猜想
前言f\VZmVoks^KoMHMf
能量是我们的宇宙，我们的世界，我们的生活中的一个重要组成部分。它表现为多种形式，而这些能量可以在不同形式间进行相互的转化，可以说不同形式的能量是一致的。但是对于这些不同形式的能量，我们并不能确切的知道它是如何进行转化，这主要是因为我们并不知道能量到底是什么样子的，在我们的概念中能量是一种看不见，摸不到只能通过温度感受到的“玄而又玄”的东西。但我相信，能量必然具有某种特定的结构，并且以某种特定的方式在不同的物体之间作用和转化，那么就有必要从已有的知识对能量的构成进行研究，哪怕只是猜想，也有它的意义。hifTaDKjDEfO^N的。[
这份报告以探究的方式，从一个问题开始深入物质的结构和运动，以观察能量在物质的构成和运动中所起到的作用，最后得出结论并以结论为基础进行一些猜想和总结。本报告的结构如下：Vl，qdTtE。CJ55ag0B
二．能量的定义[cFm，mhmk1kUgfZH的
一般我们将能量定义为度量物质运动的一种物理量，用来表示物质做功的能力。Ok**K^0HqE0apX8。
从更专业的角度来说：pI10eA5`KipSV，E]
能量是物理学中描写一个系统或一个过程的一个量。一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统到底有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。1b\[rY[IXMg]NtUYo
举一个例子而言，我们观察一个质量为1kg的固体的能量：U^2m0QDEppRhnGs\f-
假如我们在研究经典力学而只对它的动能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从静止加速到它现有速度所加的功的总和。O\c^Ce3IInI8kR[N-
假如我们在研究热学而只对它的内能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从绝对零度加热到它现有温度所加的功的总和。tWgF9cqTMYQ7i7rP1-
假如我们在研究物理化学而只对它所含有的化学能感兴趣的话，那么它的能量就是我们在合成这个固体时对它的原料加入的功的总和。h的Voe11T0O]`o^a9[-
假如我们在研究原子物理而只对它所含有的原子能感兴趣的话，那么它的能量就是我们从原子能为零的状态对它做功、使它达到现在状态的功的总和。fjPWFdR的eg2LtStV
当然我们也可以用反过来的方法来定义这个固体所含的能量，举两个例子：HN6fcXZsECcr，r1s-
该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。eG3H8CYtbqTm]7VRa-
该固体的原子能是将它所含的所有的原子能全部释放出来的功的总和。VD00olRApj[Lg。M。4
等等。C。J6ZOrgloaYZ3F]
可见，能量虽然是一个非常常用和非常基础的物理概念，但同时也是一个非常抽象和非常难定义的物理概念。所以一般在常用语中或在科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量的话，那么是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12kWh的功。但是这个概念却在不经意间误导了很多人，即以为能量和功一样是由人类定义出来而不是真实存在的，这样就否认了能量的物质性。出现这样的错误是情有可原的，因为，能量实在是太过“虚无”，它一般蕴涵在物体中，难以分离和观察，人们只能以间接的方式来研究。功便是这样一个产物，通过做功，势能、动能、内能、电能等可以互相转换，从这个角度应该明确功为能量转换的一种量度。能量和功是不相同的概念。l5D5725gZJ[[l3Qn[
三．物质与能量的统一_BJMhfJ60E，9KWSL
常见的能量形式有机械能、化学能、内能、电能、原子能、光能。我们已经知道在一定的条件下它们可以相互转化，比如摩擦可以生热，燃烧产生热，电灯泡发热，以及原子弹爆炸放热便分别是机械能、化学能、电能、原子能转化成内能的表现。如果较为精确地测量，就会发现在这些转化中能量既没有被创造也没有被消灭，它只是从一种形式转化成另一种形式。这便是能量守恒定律。与之对应的是质量守恒定律，即物质既不能被创造也不能被消灭，化学变化只能改变物质的组成。BB^rsj的oYlqcQ9\EE
1。困惑科学家的问题Jc5Q1A1FX。Q6JLUT
但是科学家们在研究中曾经遇到一个使他们感到无比迷惑的问题：原子核的质量小于构成它的粒子的质量的和。这的确很奇怪，因为这个问题说明整体的质量小于局部的质量。_PeBIpUGekF7m\Tl0
比如氦的原子核就轻于它的质子和中子之和。氦核包含2个质子和2个中子。质子的相对原子质量是1.0073，中子的相对原子质量是1.0086。如果我们把2个质子和中子的质量加起来得到的相对原子质量是4.0318。但是氦核的相对原子质量却是4.0015，比质子和中子的质量和小了0.0303。这个质量到哪里去了？ZcctYo的QAUi1io`g
科学家一直难以解决这个问题直到相对论的出现。在相对论中爱因斯坦提出划时代的质能方程E=mC2（E是能量，m是物体的静质量，C是光速）将质量和能量联系在一起。而在相对论出现以前，人们认为能量和物质之间是不同的存在物，它们分别遵守它们各自的守恒定律。EChfhQ5msnddXqT
2。这里将细致地探讨有关试验来理解和验证这个质能方程：_07[[FZn36tNOtM
碳在空气中燃烧，发生的是化学发应；氢2和氢3聚变后，发生的是原子核反应。这两类反应中新物质的形成是十分不同的。HcFlMXjL\VT_B^\PH
氧分子里的原子是共用电子的，这就形成了化学键（相邻的原子之间强烈的相互作用），当碳和氧反应时，氧分子里的键被破坏，而在碳和氧之间形成新的键。无论化学键的形成或破坏，原子的电子都要重新排列。但原子核却没有变化，在化学反应中，反应前后原子的种类和数目都时相同的。3FXb0Be3aA5^VMidl
C+O2→CO2+能量lCm_^LWSpjPllliK2
氢2和氢3的聚变中，原子核变化了，氢2和氢3原子核里的质子和中子重新排列，变成了氦4的原子核，还剩下一个中子。XImoB8BsK2\jG。d_
氢2＋氢3→氦4＋中子＋能量tX98nYDTLCFjkQ7c
21H+31H→42He+10n+能量(元素符号的左上标表示质量数，左下标表示质子数)gB6WiEmnLpDVGn_W
3。我们再比较一下再两类反应中物质的质量。BNLJh\DN47feM3pt
（1）当12.00112克的碳核31.9988克的氧结合时，产生了44.0100克的二氧化碳。二氧化碳的质量精确到四位小数，还是等于碳和氧质量的和。这是符合质量守恒定律的。ahYHfXC的jJ06k\Z
C+O2→CO2+能量。WY8R0TTcPdkFIf^c
12.0012g31.9988g33.0100g`6QVLrrqiZ4SZHf2K
（2）m6\A5RRA[]3RNPeE[
21H+31H→42He+10n+能量1dWEsT[^eT1kYGc7t
2.0141g3.0149g4.0015g1.0086gDZY3Ga，s\A8QqEkfG
当我们在氢2和氢3聚变的方程中将两边相加，反应前物质的总质量等于5.0920g，而反应后物质的总质量等于5.0101g。反应后比反应前少了0.0189g的物质。此时，质量守恒定律不再适用了，这0.0189g的物质到底去哪里了？7\bGPLl2E\Fkj0E
再看质能方程E=mC2L0[CZd7Eag`n1D，J
这个方程中，光速C的值约等于3×108m/s，那么C2=9×1016m2/s2。当这个巨大的数字乘以质量的变化时，结果是巨大的能量被释放出来。所以，这个方程里的物质似乎消失了，其实是转化成为了能量。KMXlJNJ2LWig9I[1I
但有个疑问：在一般的化学变化和物理变化中似乎没有质量的损失？_[\S0ZVQ4^ti5tlgg
其实在碳燃烧时是有质量损失的，但由于一般变化中能量释放得非常少，再用这个数值去除以C2，损失的质量就非常非常小了，我们很难测量出来。Tt^kAHABoFfZW2IX，
所以根据爱因斯坦的质能方程和大量的试验数据，原来的能量守恒定律和质量守恒定律被发展成为质能守恒定律：物质和能量既不能被创造也不能被消灭，但它们能相互转化。从这一个概念来讲，其实物质可以看作能量的一种高度聚合的形式，那么质能守恒定律可以更准确地表达成：在一个封闭的系统中能量既不会增加也不会减少。kV。的t\e^ZqQ的Er8X
这样，科学家们终于解决了那个困扰了他们很久的问题。科学家相信，在原子形成时，损失的质量转化成能量了。正是这种能量使原子核保持在一起。一般来说，原子核具有超过一个的质子，它们都具有正电荷所以会互相排斥，但正是这些能量使它们保持在一起并且还束缚住了中子。使原子核结合在一起的能量叫结合能。ZWAqgjSd1961GAdN
类比于结合能，化学键也起到同样的作用。虽然化合物是通过两种方式结合起来的：交换电子形成离子化合物（离子键：使阴、阳离子结合成化合物的静电作用）；共用电子对形成共价化合物（共价键：原子之间通过共用电子对所形成的相互作用）。但是可以概括地用化学键来描述这种结合作用。所以，化学键应该也是一种能量，而且说明分子在形成过程中，原子也相应地损失了一部分质量转化成为化学键。^37EP74，`F0Qnjk`
这里，为了下面叙述的方便我们定义几个概念：kYegcssaZb_36jY0D
束缚质子（中子）能：将质子（中子）束缚在原子核上的能量。束缚一个质子（中子）的能量大小为一单位。CnNEClCF4的GZiZWp
束缚电子能：束缚电子使其围绕原子核运动的能量。束缚一个电子的能量大小为一单位。H的，\]LldmSODp7c
质子(中子)内部能:将质子（中子）的内部结构束缚，保持质子（中子）内部结构的能量。c3Q的CPfq\^K6MZIPR
可以料想，在原子形成的时候，损失的一部分质量将转化成为能量，用以维持原子的内部结构。qa4DM_]IcS^hFLqql
四．能量和物质结构。6CITrT。P1PlP01a_8
在这里可以做一个猜想，如果物质可以看作能量的一种高度聚合的形式，那么就不排除有一天可以将物质完全地转化为能量。反之，可以将这些能量收集在一定条件下将它们重新转化为物质。比如说我们可以将垃圾完全转化为能量利用，或者可以将这些能量重新转化为别的物质比如铁，铜等。如果这个猜想可以实现必将开创人类的一个全新的时代。你可能觉得将垃圾变成铁是一件十分荒谬的事情，但是理论上的确有这种可能性。我们现在面对的可能有3种：（1）不同形式的能量（不包括物质）不再具有任何结构，能量即是构成世界的基本存在物。在它们聚合成为物质的时候，产生的物质结构取决于聚合时候的条件。那么将垃圾变成铁可能性就非常大了。（2）不同形式的能量（不包括物质）都具有相同的结构，在它们聚合成为物质的时候，产生的物质结构取决于聚合时候的条件。那么将垃圾变成铁便是可能的。（3）不同形式的能量（不包括物质）各自具有不同的结构（此时不同形式能量的划分不以机械能，内能，化学能等为标准），那么特定结构的能量只能聚合成特定的物质，也许垃圾变成的能量只能是垃圾能，而这些垃圾能只能重新被聚合成为垃圾。3UU`3eGhKRmjEq[3A
这里非常关键的因素就是能量的本质和其运动规律，但实际的观察是难以实现的，那么我们可以从这个方式来猜想能量的结构：以已知的物质的结构为基础，研究能量在物质构成、运动、转化中所起到的作用，这样就可以比较有效地猜测能量的本质了。e]，TcPV56REEImA
1。物质结构ABOW5M1g0On8k1Qs^
（1）分子。K3_\WC03P_WBb2VDh
我们已知物质是粒子构成的，物质中能独立存在并保持其组成和一切化学特性的最小微粒是分子。分子是由原子用化学键结合在一起而构成的，原子之间的作用力比较强，但分子之间的作用力却相当弱，所以分子在一定程度上表现出独立粒子的行为。分子可以由同种原子组成，也可以由不同种类的原子组成。最简单的分子只含有一个原子，如稀有气体的分子。大多数非金属构成的分子为双原子分子，如氮、氧等分子。化合物是由不同元素组成的分子，为数最多。paEKZ0SLq\20cJf
物质一般可以分为固体，液体，气体三种。一种物质在不同的条件下（如温度，压力等）可以处于不同的物态。而决定一种物质究竟处于何种状态的一个基本因素就是组成物质的分子之间的距离。固体和液体有一个共同特点：它们的分子间的距离不大，因而分子间有较强的相互作用，这使得固体和液体都不易压缩，而且在微观结构上不像气体那样无序。mp7ih8fc，2LTmIa
可以用能量的观点来看上表，那么物态体现出的是物质内部的能量状况：气体的分子动能很大，它们的分子可以基本在空间内自由移动和扩散；液体和固体的分子动能较小，分子间的势能起主导作用，它们被相互束缚起来。液体的分子可以较大地振动，所以液体可以整体地，有限地扩散和移动。固体的分子被束缚得很紧，它们只能很轻微地振动，因此固体可以在长时间内保持稳定而不扩散和移动。rp3的。_55kA3TeDUJ
（2）原子7mefHp4，gb3M5XcF
构成化学元素的基本单元和化学变化中的最小微粒，即不能用化学变化再分的微粒。原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，原子核非常小，但原子质量的99.95％以上都集中在原子核内。质量很小的电子在原子核外的空间绕核作有规律的高速运动，原子核和核外电子相互吸引，组成中性的原子。原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子，核电荷数即为核内质子数。核是非常致密的，核子彼此紧靠在一起。Zrmoo2cYPV[jHh5rk
上左图为一种经典的原子模型，每一个电子都在一定的轨道上绕着原子核运动。没有电子能够旋转于这些固定的轨道之间的任何一点上，电子也不能落入原子核里。另外，每一个轨道包含的原子都有一个最大值。^RMQYcSYEiH0qMPf
右上图为较新的电子云模型。电子充满原子核周围的球形空间。在含有多个电子的原子里，由于电子的能量不同，它们运动的区域也不同。通常，能量低的电子在离核较远的区域运动。我们可以将不同的区域分为不同的能级，分别对应不同能量的电子。Cl^`\V\prCAbQdAD`
在这两个模型中都有一个共同点，就是电子离核越远，能量也就越高。我们同样可以用动能和势能的观点来解释原子的模型：原子核和电子之间有吸引力，而动能的存在维持着原子核和电子的相互位置和关系，所以在电子和原子核之间包含着势能，原子核和电子间的吸引力越强，那么势能就越强。但在这里，假定一个电子在靠近原子核，那么势能会转化为电子的动能，当动能足以克服吸引力，它就会停止靠近原子核并最终远离原子核；当它远离原子核时，动能便转化为势能，当动能不足以克服吸引力时，它便会停止远离原子核而开始靠近原子核……这样子往复下去，除非有外来的能量打破这种平衡。JLP8l]1AGgpUJOH1K
（3）物质的能量稳定Zn05LnKP9pj01ae3
由于物质的结构特点，导致不通物态的物质在吸收一定能量后产生的改变是完全不同的。比如热胀冷缩的程度：气体受热膨胀地十分剧烈和明显，液体较为明显而固体最不明显。这是因为在气体分子间的束缚最弱，在吸收能量后分子间的距离迅速地扩大，导致空间上的体积迅速扩大。KOf]Uee6NkDY8。HTB
不同物态的物质本质是一致的，只不过在微观结构上的能量状况不同。如果再看一个例子将对这个问题有更深入的认识。rk2CMk，Z04f2nkae^
固体可以分为晶体和非晶体两大类。晶体和非晶体在外形上和物理性质上都有很大区别：[P6。22a1Fe4ZeLfB\
外观上晶体有规则的几何形状，非晶体没有规则的几何形状；晶体的一些物理性质表现为各向异性（晶体的物理性质和方向有关），非晶体的各种物理性质是各向同性（非晶体的各种物理性质在各个方向上都是相同的）；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。NjXtGQ7pE0EDB9kN
一种材料是晶体还是非晶体并不是绝对的，许多非晶体在一定条件下可以转化为晶体。例如古老建筑中的窗玻璃就经常出现局部的结晶状态。另外，人们发现，只要冷却得足够快并冷却到足够低的温度，几乎所有的材料都能成为非晶体。晶体又有单晶体和多晶体之分。一个食盐小颗粒是单晶体，许多食盐的单晶体粘在一起成了个大盐块，这就是食盐的多晶体。一般说来，如果整个物体是由许多杂乱无章排列着的单晶体组成的，这样的物体就叫多晶体。多晶体通常没有规则的几何形状，各方向的物理性质也相同，但是仍有确定的熔点。日常见到的各种金属都是多晶体。把纯铁做成的样品放在显微镜下观察，可以看到它是由许多晶粒组成的。因为多晶体的机构特点使它的性质介于单晶体和非晶体之间。bhqQTNk，47FV的Q的
组成晶体的物质微粒（分子、原子或离子）的确依照一定的规律在空间中整齐地排列着。因此晶体中物质微粒间的相互作用力很强，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而使粒子远离，微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附近的微小振动。非晶体内部物质微粒的排列是不规则的，所以非晶体没有规则的外形。5[l3lN3bjmYE_nqfT
有的物质能够生成几种不同的晶体，这是因为组成这种物质的微粒可以按几种不同的方式形成不同的晶体结构。碳原子按照不同的排列可以形成金刚石和石墨。金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚石具有很大的硬度。石墨中碳原子组成层状结构，各层间的距离比较大，相互作用力比较弱，所以质地松软。cDC，7QKeAHXgtDNT
可见物质的微观结构（能量状况）对物质的物理性质和化学性质产生极大的影响。p7IU_，qAo2B5g2的g
我们可以定义一个概念能量稳定度来描述不同物态、不同结构物质性质的一个渐变关系。nZD2Tc6PT8i5pn2b
能量稳定度是指由物质内部结构决定的物质性质的稳定程度，它表现在同一等级上等量的能量对物质结构和性质改变的多少。如果一定量能量作用于A，B两物体，而A物体的性质和结构改变较小，就说A物体比B物体具有更高的能量稳定度。kS3hHdHRWYeS6s4^
由此，我们可以将不同物质的能量稳定度通过一个表来表示。QUckcS0f5R8ZmAOJm
物质能量稳定度表FoXPjKO\G34oei54o
普通物质级气体↓Xh6MTA]3qqaK5gXF
液体↓03iJWl8EYtOJVX_b
固体非晶体↓cUX[[rB，^U`sl_Rn
多晶体↓6ks4o5qb1OYg16ZL
单晶体↓A。o8bdSarqDFV9mIT
分子结构级↓s5OHDm2`d`^oYImnT
原子结构级↓eY_KhIt]Gd2T\jkCe
原子核结构级↓WWM`obV6RmGW。kgJq
……5BkeMtK。eFKCUL。jB
↓指能量稳定度更高N7Ks^\CUbS，gRbM6f
这个表想要说明的是：一般说来，物质的机构越小，越微观，其能量稳定度就越高。意味着物质的微观结构越来越稳定，相比较下需要更多的能量才能改变。X7kY]。feL5H\a^O9r
2。物质的运动和转化cOM07h\。KkNe3HfiV
（1）物理变化kYU，WRbqesO的EFIP
*1行星绕恒星运转Lglf1m`^c7_lp481
举太阳系中的地球为例，这种状况非常类似于经典的原子模型。不同在于地球在一个十分确定的轨道上绕太阳运转。太阳和地球之间有非常大的万有引力，而地球本身又在不停运动具有动能，而动能的存在维持着太阳和地球的相互位置和关系，所以在太阳和地球之间的包含着势能，太阳和地球之间的万有引力越强，那么势能就越强。由于并没有外来强大的外来能量干扰，地球的运转轨道是地球的动能和势能之间达到平衡的结果，而地球的动能和势能几乎从不受到影响以至于这个轨道是如此得恒定和精确。KH30kEZPRD93，al[q
在实际情况中还要考虑地球和其他行星之间的影响，但原理不会有太大的变化。可以说还是太阳系的能量关系，决定了太阳与不同行星之间的相互位置和关系。，I7。9g3ah`HMpVgNR
*2地球表面的物体的升降运动npI4ZT]，C的YHfla6
相比起地球的质量和体积来说，地球表面的很多物体实在是非常的小，因此大部分都被紧紧地束缚在地球表面上，但是在某些情况下，物体可以离开地球表面，到较高一点的地方去。举向天空抛小球为例：我将手中的小球抛向天空，我的化学能转化成为手的机械能再转化成为小球的动能，然后小球飞了出去。在上升过程中，小球的动能不断转化成为势能，直到在最高点小球的动能为0而重力势能达到最大，它开始下降做自由落体运动。在自由落体运动中，它的重力势能不断减小，动能不断增大，它的速度越来越快最后“轰”砸在地上，则此时动能最大势能最小。能量最终又传给大地。在这个过程中，能量由我传给小球，小球经过转化最终把能量传给大地（中间有一些能量传给了空气）。这个过程符合质能守恒定律。IPjO7VkXtr\\，oH的，
*3物态变化rKC7SXQ9sTlc1Rshs
物态变化是物理变化，并不会改变分子的构成，只是改变分子的排列^BRpIl\jWI_XUbD的d
前面已经讨论过，分子（包括单原子分子）构成物质。人们认为之所以物质会分为常见的固态，液态，气态，原因在于分子是不停运动的，具有动能；而分子之间还有吸引力叫分子间力。既然分子间力维持着分子之间的相互位置，那么这种分子间力包含着势能。分子间力越强，分子的势能就越大。在固体和液体里，分子的动能不足以克服分子间力。在气体中，分子的动能足以克服分子间力所以分子分离开来。对于物质来说，它所包含的分子（以及分子间）的能量决定了它的物态。但实际上能量是不是唯一决定物质的状态的因素呢？43cl]。0RfL5H5]6T
这里可以做一个定量的试验：加热36g的冰直至全部变为水蒸气，再将水蒸气凝结成冰。测量在这过程中的能量变化可得：lgQEGC34j8U。BKi1V
0℃的冰＋能量→100℃的水蒸气L_1i7pa[。8AW的4\ai
36g108864J36gd\H7CiHYW8SIJ]H`D
100℃的水蒸气＋能量→0℃的冰UgImm^gJ8Ps^]tNUH
36g108864J36g，HR[]kj2Ug7ocP6j，
这个试验在这里便可以说明能量在物态变化中所起到的作用了：似乎只有能量在物态的转变中起着决定性的作用。KTpY5YQUXUCcbTd7S
（2）化学变化g55^3LejsrMeFAG]c
化学变化会通过改变原子排列来改变分子的构成。结果导致一种新的物质产生，化学变化也伴随能量的变化。R2X。[5HTmS0kO，02
*1释放能量的反应JrFQqS\_X。eYLJCLX
任何以热的形式释放能量的化学反应是放热的。c`qB[G5HO9o5RXijp
例如氢在氧气里燃烧：Yg\oPeX6ND7hb0Jos
2H2+O2→2H2O+能量X`LUNgR8IBlsNn6[_
这个反应其实是2个氢气分子被拆分为4个氢原子，一个氧气分子拆分成的2个氧原子，重新排列成为2个水分子并放出能量。更确切的说是氢分子和氧分子的化学键破碎而氢氧原子之间形成新的化学键，新的化学键和原来的化学键是不同的。既然原子本身并没有变化那么有没有可能能量是因为化学键的变化而放出的呢？那么到底什么是化学键，是什么在维系着分子的结构和原子的结构？。[k2Vs2rP7A，Eg[[]
*2吸收能量的反应6nlJV2b[bBjhpst51
2H2O+能量→2H2+02G3N7epiArcRWdg2o
这个反应实际上是在能量的作用下，2个水分子中的化学键都破碎然后4个氢原子和2个氧原子分别形成新的化学键。如果假定反应前后化学键的变化是吸收、释放能量的原因，就可以得出2个水分子中的化学键能量小于2个氢分子中化学键能量与1个氧分子中化学键能量的和。这样方程两边的能量才是平衡的。TpsfnV^。JF5sNpZRb
在化学反应中，许多能量都是用来打破分子中的键，并在原子间形成新的键。在物理变化中，需要较小的能量来克服分子相互吸引的分子间力。打破分子中的键所需要的能量比克服在分子间的力大得多。对应不同能量稳定度的物质可以在不同得反应中划分出一个能量级别来。3sAMc[BgK6G0NYQ\i
前面的想法毕竟是猜想，就一般而言人们是这样解释化学反应中能量的变化的：能量可以作为化学能储存在原子里和分子里。在释放热量的反应中，化学能只是简单地转化成为热能放出；在吸收能量的反应中，热能转化成为生成物的化学能储存起来kmOT8HL2qVc1IUD的a
有些反应只有在物质已经升高到一定的温度后才开始。比如，需要一定的能量来加热炭，使它能够着火。但是一旦点着，炭在燃烧时放出的能量就比加热炭所需要的能量更多。化学家能够测量升高每种物质的温度带到开始发生化学变化所需要的能量。他们也能够测量在这个反应进行中放出的能量。如果这个反应是放热的，释放的能量总大于这个反应所需要的能量。另一方面，如果在反应开始后继续吸收能量，那么这个反应就是吸热的反应。可以发现，对于不同的物质，有一个不同的临界能量值分隔开它的物理变化和化学变化。eDmA]5thZ_OpqPcd
（3）原子核反应f4\Hn6XPZ^kjetI，
*1天然放射性paU`VqMtR，7kJ，Q
由于从原子核里自发放射粒子，而使一种元素变为另一种元素的过程，被称为放射性衰变。TqkYQJc0`td4`hoT
铀的放射性衰变_C40。01TTKqJhRTsK
铀238（质量数为238的铀的同位素）衰变时，它的原子核放出一个阿尔法粒子，这种粒子由2个质子和2个中子组成，同时放出热能和伽玛辐射，形成钍234的原子核。KSEIRj4`JCaRS。oIT
铀238→阿尔法粒子＋钍234＋能量e4ihPRqA的rrrYMbB
92P2P90PV2_bKJ2ALo3，UKNi2
146N2N144N(P代表质子，N代表中子。质量数等于质子数加中子数。)XhgmBM2YrGr5SnX
注意原子核的粒子怎样重新安排，铀238的原子核损失2个质子和2个中子形成一个阿尔法粒子，剩下的形成钍234的原子核，它是由90个质子和144个中子形成的。方程两边质子数核中子数都没变，看起来这里的能量来自把阿尔法粒子束缚在原子核上的2个单位的质子束缚能和2个单位的中子束缚能，它一起被释放出来。2]i``_l1，Yd`hLaVL
钍的贝他衰变NP[^ZFUCVhpPAY0k
当钍234发生贝他衰变时，放出一个贝他粒子（实际上是一个电子），钍234变成镤234。OXghmNP1m。85WE^Y]
钍234→电子＋镤234＋能量Jb9J\_eq[[。4X^8X
90P91P`]c`5_1nhHH35]KNQ
144N143N_QnBlXCKrsW2Y0WGP
可以发现在这个反应中钍234里的一个中子分裂为一个质子和一个电子。那么，产生的镤234的原子核就比原来的钍234原子核少一个中子而多一个质子。好像一个中子就是由一个质子和一个电子通过一定关系组成的。这里的能量变化是：1个中子破碎，释放出1单位的束缚中子能和中子内部能，然后新质子吸收一部分作为质子束缚能使自己束缚在原子核上。最终释放的能量来自于1单位的束缚中子能加上1单位的中子内部能减去1单位的束缚质子能的差值。QVoofb76LV_5g1f8
*2元素的嬗变pK0OjBA3KB的SpWTP_
1911年，卢瑟福用阿尔法粒子打进金箔，从这个研究，他获得了原子核概念的证据。然后1919年，卢瑟福用相同的方法把一束阿尔法粒子流对准氮14冲击。下面是发生的变化。dCQJJVKeehKghW[U
阿尔法粒子＋氮14→氧17＋质子sZE_R2\Rpng的，4fo
2P7P8P1PKg2E4\blsQ2BRttFj
2N7N9N0N\\VESGUT`OSeo7d4
当氮14的原子核擒获阿尔法粒子时，产生了氧17的原子核和质子。方程两边的质子和中子的总数是相等的。卢瑟福实现了炼金术士的梦想，他能把物质变成另一种。但只有很少的阿尔法粒子能够穿透氮原子，因为带正电的阿尔法粒子与带正电的原子核士互相排斥的。为了使带正电的粒子能够打中带正电的原子核，科学家制出了粒子加速器，即增大电子、质子和其他带电粒子能量的装置，用加速后的粒子冲击元素。aRBtb]BZ的UEVoKPfA
不久科学家开始使用中子来进行这项试验。中子不带电荷，不受带正电的原子核的排斥，也不受环绕原子核的电子的排斥，比质子和阿尔法粒子更有效。下面是发生的变化。L，o4fdU7gNAMS_WK
氮14＋中子→氮15LN5]tUsEYQ^GC9\K1
7POP7P_Wm_AaY0giMHYW_6s
7N1N8NJlKTOXNUGAk的Q4joM
可以看出，当原子擒获中子时，产生的是同种元素的同位素。这个新产生的同位素常常是放射性的。RWAn[的kDAZM。mF的DG
如果我们分析这些反应的能量情况就会发现：通常是将一个特定的粒子加速使其有很大的动能后打进一个原子，使这个粒子能够被束缚在这个原子内。这个被打进的粒子带有很大的能量，那么它的进入改变了原子核内的能量平衡，从而导致了原子核的重新排列。OhDVXhV]6T3T[TsS[
*3原子的裂变和聚变]AEOHaAX5lQ2PrsZR
科学家曾经用中子轰击铀235，结果发现铀分裂为钡和氪（铀有92个质子，钡有56个质子，氪有36个质子）。0A1ZP4PP2ckaW7S的
然后他们进一步试验得出以下结论：1rWg的4Je，hOf4NMd_
a.铀原子的裂变有时候产生除钡和氪以外的其他一对元素。不管是什么样的碎片，其质子的总数等于铀的原子序数92。ataaf4mpi3]ioFkQ
b.所产生的元素通常是具有放射性的。G_CCgjlUXWMS[Gfs
e.每一次铀原子的分裂除了产生大量的热能和伽玛辐射以外，还要放射出2、3个中子。WtVEXiAYT。W。r_\2F
d.裂变过程中似乎有微小的能量损失。IknXl4SJGISi15p
不管怎么说，这是人类的一个成功。因为后来人们根据这个原理制成了裂变炸弹。而裂变炸弹爆炸时，成功地产生了一千万摄氏度的温度（在这以前，这样高的温度只有太阳和其他恒星上才能存在）。这为人们制造聚变炸弹奠定了基础。\[d^V`]iXE1Pqbadr
我们知道太阳的能量时从一系列氢结合成氦的聚变反应产生的。odMmPqLcfPOV。flmA
4氢1→氦4＋能量Z5aaREGVOp的3lCs的n
411H→42He＋能量]M3H7J8t8foUsfR8Y
在地球上若想实现这种聚变反应就必须要有足够的温度，而裂变炸弹刚好已经可以达到这种高温，所以其实人们已经可以实现这种聚变了。177dHq3csES^Shlt
氢2＋氢3→氢4＋中子＋能量MP]NSL3\[YL_4WChD
21H+31H→42H+10n+能量JsrNZBeF\。t]dRc，
聚变炸弹需要很大的能量来开始聚变的过程，但一旦聚变开始，它可以释放更多的能量。FYk\KgjChGYL[`_PI
裂变和聚变给我们的启示是：好像物质的基本结构（分子，原子，原子核）不是绝对的。虽然在我们眼中它们有如此大的差异。比如说有些是气体，有些是固体；有些柔软，有些坚韧；有些有毒，有些没毒。它们之所以成为各具特色的物质还是取决于它们的能量状态。也就是说，理论上，只要有足够的能量条件，我们可以用氢原子聚变成为任何已知和未知的原子，而这些聚变成的原子又可以再一次聚变；反过来讲，我们可以把已知的原子全都裂别成为氢原子。但，这一切还停留在理论阶段，因为仅仅是把氢原子聚变成为氦原子，就需要达到恒星的温度条件。7[l\O0LjELOAQto0X
*4结合能和化学键J^oAJnB]XW。kPkPSV
3。能量作用级别和结论的fdOsHM00rrBD^c3。
当我们整体地研究了在物质的构成、运动和转化中能量所起到的作用，我们会发现，无论是组成物质的基本粒子，还是联系这些基本粒子之间的因素，好像都是能量在起作用。正是因为能量作用的级别不同，而产生不同的反应，我们可以用一个简表将这个体现出来。MoEFqeof2H`sZ2mX
需要说明的是这个表只描述能量作用级别的概况，不涉及具体的运动或反应。而最后那个纯能反应能量级是猜想中的，所有的物质都可转化成为能量的反应能量级。H2F8ciQK4S\t0Ji_0
能量作用级别表k8dA]i088Za^nM1sF
物理变化能量级机械运动↓fH^，_[GoUhJBdJKK1
（分子排列能量级）物态变化特例：非晶体的熔化和凝固↓UREoS\enlBP94B4We
晶体的的熔化和凝固↓cEd`M78`eI][dEGpe
化学变化能量级起始反应能量低的化学变化↓RUgXes_LB\fV1的l1r
（原子排列能量级）起始反应能量高的化学变化↓BbFpTAKh，H0aMS的jE
原子核反应能量级原子核裂变反应↓\nqk7t\63bBl0tQ`R
（原子核排列能量级）原子核聚变反应↓epLM9_，PD。Vd8t]hb
…………↓_3EE]_的cYE\npX7Nn
纯能反应能量级↓4NKCZThpNi]mI`。^r
↓指越高的能量级7`5Ra`SDtOFCQ20S
这个表与前面那个物质能量稳定度表是对应的，都表现了能量在构成物质和转化物质中所起的作用是渐变的。^sl[COH84Q的kZ，``p
通过这个表可以发现：之所以会产生不同的变化，都是因为反应处于不同能量级的结果。例如如果实际的能量处于物理变化中的物态变化能量级，就说明如果这些能量作用在一个特定物体上，只能改变分子的排列而不能改变分子的构成；而如果实际的能量处于化学变化能量级，就说明这些能量如果作用在特定的物体上，只能改变原子的排列而不可以改变原子的构成。6osUOnkPQhEZG82Q
结论：物质的结构、性质和状态，以及能够改变物质结构、性质和状态的运动，反应所能够达到的程度，都是由能量决定的。而能量是构成物质的基本存在物。gLtONYYMIt6GALH\4
我们可以这样理解这个结论，即其实我们的这个世界只不过是能量自导自演的一场“电影”：组成物质的是能量，联系物质的是能量，决定物质的是能量，而改变物质的还是能量。好像我们的宇宙世界从头到尾都没有其他的东西，这宇宙和世界一眼望去就是能量的茫茫海洋。djWl_^hq1cY`ma2N
在明确了这一点以后，我们的问题就转向：（1）能量以什么形式存在以及能量自身的性质。（2）能量如何形成物质，它以什么方式物体中以及不同物体之间作用。（3）如何用能量去解释已知的物理和化学模型和定律。（4）生命和智慧是否与能量有关。UIFMWD32hGtLJC\`3
五．对能量的猜想，M_VI^`0[2`dZFjas
1。假想中的能量体i3YgageS2hV\3c2Op
根据我们的结论，可以将能量具体化、物质化为一种存在体，它可能是粒子，可能是线形的，可能是立方体的，可能像水那样不具有具体的形状……我们无从得知，但是可以根据前面的结果得出一些它的一些性质和特点：6Jr7s_hT7EgI8Ng6s
（1）能量体是次于物质的一种基本存在物，我们现在无法确定它是否具有内部结构，所以不能说能量体是宇宙最基本的存在物。1Tp647\JN^knmFmd
（2）能量体没有质量，因而质量只是物质的属性而不是能量的属性。因为如果能量体有质量那么根据E=mC2它就还可以继续放出能量体，说明能量体没有质量。而这进一步说明，能量体就是能量的基本存在物，它本身不再蕴涵任何能量。F_7hpE^Y[1LKH09AU
（3）能量体的尺度极其微小，在我们看来非常致密的的物质，在能量体的尺度下可能只是非常非常稀松的，所以，它可以很容易地穿过物质，即在不同物质中转化。kP7]L。t8S，l0`BZiG
（4）我们前面得到，元素之所以不同只是因为原子内部的能量关系不同，它们虽然在物理和化学性质上差异很大，而本质其实是相同的。所以，作为物质的基本存在物能量体不以元素为划分标准，那么前面的猜想即可以用能量来改变物质，以及用纯能来制造物质就是完全可行的了。TSOc`LL6HBeTsJ]1M
我们可以这样理解能量体的作用：把能量体当成一种沙子。当沙子和沙子凝结起来便成为砖头，我们再用沙子把砖头凝结起来便可成为房子，而房子与房子之间又可以有砖头（或砖头组成的结构）连接便成为城市。说到底，城市完全是由沙子构成的，就好像我们的宇宙完全是由能量体构成的。bh[FmHXLOfTtTe0，
2。热力学第二定律与宇宙模型cZS3rEBttRAJa8Yje
科学家们通过大量试验和事实得出热力学第二定律：不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。AHgPE的asC0JbPV6]h
在这里判断热量流向的标准是温度，而不是物质所蕴涵能量的大小。比如说，我们把一小块100℃的铁块扔进大海，热量将由铁块流进大海。用我们的理论来说，决定热量流向的标准是局部空间里能量体的密度。能量体总是由能量体密度大的地方流向能量体密度小的地方。lHQY_Y`o7U7P0cn6^
于是我们可以建立这样一个宇宙模型：奇点是一个能量体密度极限高的点，它的大爆炸使宇宙中充满了能量体密度非常高的物质，宇宙不断膨胀的过程中，这些物质通过各种反应和变化使自身能量体密度逐渐减小，并在最后放出单个的能量体。由于热力学第二定律，这些物质将最终全部变成单个能量体，并使宇宙各处的能量体密度处处相等。此时宇宙中各处的温度都相等为绝对零度。这个叫做宇宙的热寂。OqiEHlnciOfhhoNRX
可以举太阳为例说明这个过程，宇宙大爆炸后形成了太阳这个能量体密度非常高的物质聚合体，它通过自身不断的聚合反应，放出大量能量体密度较低的物质甚至单个能量体（光和热），这个过程最后将导致太阳的最终耗尽和它周围能量体密度的平衡。EBV_hBKSlmDn。nopQ
当我们发现宇宙的这个趋势以后，作为宇宙的一个部分来说，可以从这个角度出发来看待生命和智慧的问题：生命便是这样一种结构，在它的活动中，它将加速宇宙中能量体的流动过程：在它的新陈代谢中，它把能量的聚合体物质，转化成为能量体，其实就加速了热寂的到来。而智慧，也就是一种更快的加速手段（比如说人们已经掌握了原子核裂变和聚变的技术，这比起新陈代谢来说可以更快地将物质转化成能量体）。所以说生命和智慧只是宇宙发展中的一个手段（它们都好像一个不断燃烧的小太阳，不断将物质转化成为能量），它们必将随着热寂的到来而消失。而对于生命和智慧来说，不管是否愿意，它们的存在就是作为一件工具最大程度地加速能量体的扩散，并最终加速热寂的到来，可以说这就是生命存在并且不断延续和进化的一种意义。GKPtVQn`jEd5pA6NK
3。纯能制造物质猜想实现的步骤SlA^3YCHDZ0Ypo，QO
（1）清楚地研究物质的微观结构以及能量的本质。（对光、电、磁的研究可以带给人类极大的启示，因为它们可以说与能量有密切的关联。我认为光量子就是能量体一种较低的能量聚合体）。[955GH5bZhcoNrCSr
（2）试图将能量体从物质中分离出来并且收集起来。（这是非常关键的一步，只有先将能量储存起来才有可能进行下一步的处理。现在某些国家的科学家已经能够将光“冰冻”，即是将光的速度降低，这无疑是一个极好的开端。）]B_BWs3QRi0Z_8tgk
（3）通过一系列处理将能量体聚合成为物质。（这一步非常困难因为目前对此没有任何已有的经验。我们虽然并不清楚需要怎样的处理能将能量聚合成为物质，但是理论上将这是可能的并且我相信终有一天可以实现。）d8ndGBflHBl]_]hb
（4）将聚合成的物质进一步处理直至成为我们需要的元素。（其实这一步很有可能是人类科技可以达到的第一步，但是却是纯能制造物质的最后一步。如果科技足够先进，这一步可以包含在第(3)步中。人类已经可以将石墨转化成为砖石，而这一步的原理与此相差不大）JjP5MPYGam的UIYa\f
其实大家会疑惑纯能制造物质是违反热力学第而定律的，其实不是：因为在用纯能制造物质的时候，我们需要使用更多的能量，也就是说要将更多的物质转化成为能量。比如说，我们用纯能制造1Kg物质，可能需要1.5Kg的物质释放出的能量。唯一不同的是我们可以用废弃的物质去制造有用的物质，比如我们可以用垃圾去制造铁和铜等。（这一点和生命很像，生命从表面上看也是违背热力学第二定律的，其实生命的存在反而加速了热力学第二定律的过程）。Kr]pDi0D\pURDs的D_
不得不说的是，这个猜想对于人类而言还需要很漫长的时间和努力才有可能实现，但是这的猜想的存在昭示着人类的美好未来，如果这个梦想实现那么人类就不再需要担心能量和废弃物等等问题了，这对人类来说无疑是一场飞跃。o2O的XJ_b1I^kQj8M
六．结语GajPm1e7po的P^_DEN
1。报告中存在的问题5W3bjQOLKV48RFTd
这份报告毕竟只是一份猜想报告，其内容带有很多想象的成分，它是否能实现还只是未知数，这里只是做一种可能性的假设。客观世界极其纷繁复杂，而笔者知识和能力极其有限，很多地方只是自己的推断，并没有办法引用试验结果或做试验验证，所以并不能得到任何必然的结论。`4JG786EC]^RfUOVq
报告中提出一种“能量体”的模型，虽笔者勉力为之，仍旧无法用这个模型去解释物理、化学以及许多其它的现象。所以这种模型只是一种非常不完善甚至完全错误的模型。所以笔者将继续努力完善或寻找新的模型，以期能够很好地解释客观世界。tg4tgUXV2MObPCQT
2。报告中体现出来的哲学思想[a341l3V。pphV_As
*1从量变到质变`的dQ65A的ha23b7BoH
元素周期表中元素的排列，是原子结构中质子数、中子数、电子数变化的结果，虽然只是数量的变化却导致不同元素在物理和化学特性上巨大的本质的差异。ITmGP`0il``h9DNH
物质的存在，是因为能量大量高度聚合的结果。正是这种量的增加导致本质的变化，使没有质量的能量体变成了有质量的物质。GZR3JD。HTgW1Yr14^
量变到质变的存在，说明事物发展变化的连续性和协调性，也同时提醒人们依照已经体现出的规律进行探索，很有可能发现人们从没有意识到的甚至是不可思议的现象和事实。同时，也告诉人们不能固守已有的知识和定律，因为它们很有可能只是客观真理的近似情况，是人类发展中一个阶段而已。人们只有在前人研究的基础上不断批判前人的研究成果，不断将特殊扩展到一般，才能推动人类持续向前发展。的EK的joMngMW839[F1
*2世界的相对和统一`_UdNpX。gaeDCC4AB
不同物态的物质本质是相同的。比如说冰、水和水蒸气，虽然它们的物理形态是如此不同，其实都是由水分子构成的，唯一不同的在于分子的排列，即分子级别上的能量状况不同。ljsAg3pLi3Xm[[32C
以前人们认为不同元素之间有极其本质的区别，知道后来发现不同的元素之间在一定条件下可以相互转化，实现了古人炼金术的梦想。以前人们认为物质和能量，时间和空间是完全孤立的事物。直到爱因斯坦跨时代的理论才揭示了它们之间的精确关系，将看似完全不同的事物联系起来。CTN[DZ57。`aRp62D
我们现在的结论是之所以会有物态的区别，元素的区别，物质和能量的区别，其实都在于它们在能量层面上的状况不同。那么就可以将物质构成、运动、转化统一于能量的作用，并且可以反过来运用，即用通过改变物质的能量状况来改变物质的构成、运动、转化。GN8^bBBSbtKgIW`lE
由此可见，我们世界本质上还是有可能统一起来，人类的发展将导致人类感知范围和层面的拓展，并逐渐逼近世界本来的面目以及掩藏在种种表象下的真理。虽然这是个漫长的过程，但也是人类不得不肩负的使命。