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[不懂就问]“能量”是什么东西?

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物理课文关于核能发电有过这样的描述“原子受到轰击后裂开并释放出能量……”,这个“能量”到底是什么东西,是一群温度极高且移动速度极快的微粒吗?


IP属地:广西来自Android客户端1楼2023-09-15 22:21回复
    我的理解,能量就是系统守恒量
    从机械能守恒开始谈,我们发现物体运动时,其速度的一个函数加上其高度的一个函数得到的和始终不变,速度和高度是完全不同的量,它们之间存在某种转化规则使得二者各自特定函数的和不变,这个函数就是机械能,重力场下不同高度的机械能就是势能,物体因速度具有的机械能则叫做动能;此外,如果加上弹簧的弹力,寻找守恒量时就要加上一个新的和弹簧弹力、弹簧伸长量相关的新函数,这就是弹性势能
    然后来到电磁学,我们发现电场和重力场在描述上没有什么不同,同样地,分子间束缚力、化学键等具有类似弹簧的性质;总的守恒量中,新加入的函数都是由力和位置计算的,这些同样就是“势能”
    对于光、声,则是一种势能和动能之间不断相互转化并传播的现象,很显然也能纳入之前发现的守恒框架
    而热的微观解释则是微观粒子无规则运动的动能(热的特殊性在于其无序性,这里不展开了)
    而核能是什么,其实就是原子核之间紧密结合的束缚力在核子间相对位置改变后释放的“势能”,释放之后自然变成了热、光、产物动能等多种形式
    而质量亏损是怎么回事呢?这其实就是质能关系,狭义相对论里速度增加质量增加,质量增加的部分对应于相对论的“动能”,原则上任何能量变化对应于质量变化,但直到核反应之前观测不到这么小的质量变化,核反应中单位质量的核子具有的结合能太多了,假设结合能完全变成新原子核的动能,此时动质量应该不变,但因为能量很大,新原子核此时速度很快,如果其静止下来,测量到的静质量自然就会降低了
    综上,能量其实就是两种最主要的形式,“动能”和“势能”,它们本身只是物质状态的一种函数,但是我们发现它们加起来始终相等,它们是系统守恒量(且对应于时间平移不变性,即应当是最普适的守恒量),这种守恒特性赋予了能量的特殊性。反过来我们也从这种特性来理解能量:这相当于组成这个世界的“积木”,可以搭成屋子,可以搭成船,但积木一共就这么多块


    IP属地:上海来自Android客户端2楼2023-09-16 00:38
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