能量守恒：客观世界的“隐形标尺”

本文转自：解放军报

能量守恒：客观世界的“隐形标尺”

■杨晓薇 李 芮

作为物理学中具有普遍性的一项定律，能量守恒定律被称为19世纪3个最伟大的科学发现之一。一直以来，人们对能量守恒定律的学习和探索从未停止。

能量守恒定律是指当一个孤立系统经历任何变化时，该系统所有能量的总和是不变的，能量只会从一种形式转化为另一种形式，或者从系统内的一个物体传给另一个物体。如今，对普通大众来说，能量守恒定律通俗易懂，但这一定律的明确表述过程却充满了曲折与挑战。

首先出场的是一位名叫迈尔的医生。1840年，迈尔作为一名随船医生前往印度尼西亚。途中，一名船员出现水土不服的症状，迈尔果断采取了放血治疗的方法。同一时刻，迈尔发现，在此地放出的静脉血不像在温带国家放出的静脉血那样暗沉，反而像动脉血一样鲜艳。“这是为什么呢？”迈尔陷入了深深的思考，并暗暗猜想：一方面，静脉血鲜艳意味血液中含有的氧较多；另一方面，在热带地区，船员只需要吸收较少的热来维持体温，这意味着进入人体后提供化学能的生物氧化过程减弱，静脉血中留下的氧变多。这两方面的认知使迈尔联想到食物中的化学能和热能存在等效性。

有了这次经历，回到欧洲后，迈尔撰写了一篇名为《论热的量和质的测定》的论文，论文主要研究能量的守恒和转化问题，但由于迈尔在物理知识方面的不足，他更多的是从哲学的角度来表述他的观点，这也导致这篇论文最终并没有被发表。

然而，迈尔没有放弃。相反，他开始努力学习物理和数学知识，并于1842年撰写了论文《论无机界的力》。他在这篇论文中继续论证“能量是不灭的”观点，并指出重力势能可以转化为动能。

3年后，他又撰写论文《论有机体的运动以及它们与新陈代谢的关系》。这篇论文里，迈尔再次论述能量守恒的观点，指出“热可以转化为机械效应”，并推算出明确的热功当量；同时，他描述了动能、热能、化学能等5种形式的能量，并列举出这些能量相互转化的多种方式。最终，虽然这篇论文没有引起当时物理学界的重视，但迈尔仍被称为能量守恒定律的奠基人。

紧接着登场的是焦耳。物理学家焦耳提出的焦耳定律，是可以定量计算电流并将电能转化为热能的定律。除此之外，焦耳还通过实验明确了热功当量的准确值，为证明能量守恒定律打下了坚实的实验基础。后来，科学界为了纪念焦耳，功、能量和热量的计量单位用“焦耳”命名。

第三位登场的是亥姆霍兹。亥姆霍兹在迈尔和焦耳等人的工作基础之上，论证了各种各样运动中的能量守恒定律，并于1847年发表论文《论力的守恒》。他将能量相关概念从机械运动推广到了所有变化过程中，进一步证明了能量守恒的普遍性。之后，热力学第一定律进一步在宏观上明确能量守恒定律，康普顿效应则证明微观粒子的运动也遵循能量守恒定律。至此，能量守恒定律成为物理学中的普遍定律。

自然界中所有的运动过程都应该遵循能量守恒定律，在探索新领域时，秉持能量守恒的思想对各种现象进行解析，往往能找到通往成功的道路。1930年，物理学家泡利坚守能量守恒的观点，提出中微子假说。后来科学家们真的发现并捕捉到了中微子。

与之相对，一些违背能量守恒定律的事物是不可能存在的。比如，历史上“永动机”的制造均以失败告终。“永动机”不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，严重违反能量守恒定律，这必然不可能存在。

总之，能量守恒定律为人类探索客观世界提供了强有力的辅助，就像是一把隐形标尺，帮助我们更深刻地了解世界。