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【科學講堂】能量太抽象 古人難想像

2018-09-12

上次跟大家介紹了一個別出心裁的貯存能量方法,也帶出了「能量守琚v這個大自然規律。在我們談及「開發再生能源」、「現代都市每天運用了多少能量」的同時,究竟什麼是能量呢?今天就和大家分享一下有關能量的知識。

我們都體驗過能量的威力:太陽發熱發亮、爆炸時發出隆然巨響、近日北海道發生的地震,都是能量的釋放;不過能量可以以不同的形式存在,沒有實質的形狀,卻又好像無比抽象。因此,「古人」思考「能量」這個概念,其實一點兒也不自然:在西方,一直到17世紀,才由著名學者萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)提出跟現代相類的能量概念。

20世紀有名的物理學家費曼(Richard Feynman)也在他的物理講課中提到,能量守琠w律「是一個很抽象的主意,因為它是一個數學的原則......而並沒有描述背後的機制......它就是這樣的一個奇怪事實:我們計算了一個數量;在欣賞了大自然完成它的把戲後,我們再重新計算一次這個數量,也還是沒有改變。」

曾以為熱是物質

能量沒有固定的「形相」,因此要決定我們身邊的各種物事之中,究竟哪些是能量,並非易事,而熱能就是一個有趣的例子。

現在我們稱之為熱「能」,當然是因為知道它是能量的一種。可是在19世紀以前,人類曾經很認真地認為「熱」是一種物質:這個鐵鍋的溫度很高,是因為它含有較多的「熱」。

後來,英國物理學家焦耳(James Joule)觀察到,工人在鑽挖金屬的時候,金屬的溫度會上升,儼如「熱」是可以憑空被製造出來的。這個現象告訴了我們,不應將「熱」獨立來看:「熱」其實只是能量的一種,能夠和其他能量形式互換。

到了20世紀初,德國數學家諾特(Emmy Noether)為各式各樣的守琠w律提供了一個數學上的證明:守琠w律原來是源於系統本身的「對稱」。

什麼是「對稱」?太陽對地球的引力,只因它們之間的距離而變動,並不會因地球位於太陽的哪個方向而有所改變,就是一種「方向的對稱」;再者,只要距離相同,太陽與地球之間的引力也不會因為現在是什麼時間而有所不同,這就是一種「時間的對稱」。

諾特的定理告訴我們,系統的每一個這樣的對稱,都會有一個相對應的守琠w律:因為系統以特別的方式移動,這個系統的某些數值會因此而維持不變。

之前提過的「時間的對稱」,就對應於「能量守琠w律」:時間與能量,原來有茞`層次的關聯。

能量不生不滅,可以從不同的形式之間互相轉換,聽上來好像不賴:看來我們好像可以不用擔心這個世界會「沒有了能量」。

不過隨荍畯拊鴾j自然的認識增加,現在我們知道了能量有「無用」和「有用」之分:能量不生不滅,但現存的能量不一定對我們有用。

在未來的日子裡,再找機會跟大家深入討論這個話題。在這之前,大家還是要記荂G善用能量。■張文彥 香港大學土木及結構工程學士

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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