一．前言
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。
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：
二．能量的定义
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。
从更专业的角度来说：
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。
举一个例子而言，我们观察一个质量为1kg的固体的能量：
·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。
·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。
·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。
·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。
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：
·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。
·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。
等等。
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。
三．物质与能量的统一
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。
1。困惑科学家的问题
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。
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？
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。
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：
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。
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。
C+O2→CO2+能量
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。
氢2＋氢3→氦4＋中子＋能量
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)
3。我们再比较一下再两类反应中物质的质量。
（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。
C+O2→CO2+能量
12.0012g31.9988g33.0100g
（2）
21H+31H→42He+10n+能量
2.0141g3.0149g4.0015g1.0086g
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？
再看质能方程E=mC2
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。
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？
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。
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。
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。
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。
这里，为了下面叙述的方便我们定义几个概念：
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。
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。
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。
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。
四．能量和物质结构。
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。
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。
1。物质结构
（1）分子。
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。
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。
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。
（2）原子
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。
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。
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。
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。
（3）物质的能量稳定
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。
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。
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：
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。
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。
为什么们晶体和非晶体有这么多差异呢？这样从晶体的微观结构中寻找答案：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
物质能量稳定度表
普通物质级气体↓
液体↓
固体非晶体↓
多晶体↓
单晶体↓
分子结构级↓
原子结构级↓
原子核结构级↓
……
↓指能量稳定度更高
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。
2。物质的运动和转化
（1）物理变化
*1行星绕恒星运转
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。
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。
*2地球表面的物体的升降运动
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。
*3物态变化
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
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？
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：
0℃的冰＋能量→100℃的水蒸气
36g108864J36g
100℃的水蒸气＋能量→0℃的冰
36g108864J36g
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。
（2）化学变化
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。
*1释放能量的反应
任何以热的形式释放能量的化学反应是放热的。
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