“能量”都去哪兒了

飛花似夢

探索未知，能量無處不在

作為科幻劇中不可或缺的重要元素之一，“能量”的存在打開了人類對未知世界的探索。千百年來，我們從未因環(huán)境的限制而停止對未知世界的幻想與探索，我們的思緒飛出地球，在太空之間流轉(zhuǎn)。

隨著近代科學的發(fā)展，穿梭于外太空不再是神話故事中的幻想。20世紀阿姆斯特朗留在月球上的腳印，近幾年中國載人航天事業(yè)的成功，無一不在告訴我們曾經(jīng)的幻想已成事實。當然無論是人類的太空探索，還是科幻作品中的設定，都離不開對宇宙能量的理解和應用。

人類對宇宙能量的諸多設想大都圍繞對其自由的掌控和利用。不過，像曼哈頓博士那種在一場意外的量子轉(zhuǎn)換實驗中獲得強大能量的，畢竟是少數(shù)。不然宇宙的能量豈不是要失衡了。

既定存在：能量守恒

能量守恒定律是最普遍的基本定律之一。無論在微觀世界，還是在宏觀、宇觀世界都得遵循它。然而，人類對于能量守恒的認識并非一帆風順。這其中就發(fā)生過很多有趣的故事，最有名的故事發(fā)生在量子物理學家玻爾和他的學生泡利身上。當時大名鼎鼎的玻爾在研究β衰變時，曾一度產(chǎn)生放棄能量和動量守恒的想法。作為學生的泡利卻持有不同的看法，他認為應該堅持能量和動量守恒，為此提出了著名的中微子假說。后來的實驗證明，泡利是對的。不難發(fā)現(xiàn)，守恒定律在物理研究中十分重要，它不僅指導著理論研究，而且引導著我們發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律。

隨后的研究發(fā)現(xiàn)，原來自然界中每一種連續(xù)對稱性都與一種守恒量對應，這就是諾特定理。從諾特定理的角度看，能量守恒實際對應的是時間平移對稱性，也就是說隨著時間的演化，系統(tǒng)的能量保持不變。比如，單擺的運動過程所遵循的就是機械能守恒定律，這是能量守恒的一種形式。

理論研究表明，無論在經(jīng)典物理，還是現(xiàn)代物理中，能量守恒定律都具有清楚的定義。也就是說，能量守恒定律是作為基本定律被接受的。

即使是在科幻電影中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的身影。比如《星際穿越》，能量守恒定律的應用一直伴隨在飛船飛行的過程中。飛船消耗燃料為飛行提供動力的過程，包含化學能向動能轉(zhuǎn)化的過程。后來庫珀利用黑洞的引力彈弓效應，成功將飛船彈向了第三顆星球，自己卻掉入了黑洞。引力彈弓實際就是利用引力勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。

目前，引力彈弓已經(jīng)被應用在實際的衛(wèi)星發(fā)射中。1974年發(fā)射的水手10號利用引力彈弓效應實現(xiàn)了對飛船的減速；而2007年發(fā)射的旅行者1號則利用引力彈弓對飛船進行了加速。

打破能量的天平？

既然可以利用能量來實現(xiàn)宇宙航行，那么，我們不禁要問，是否所有的能量都可以被利用呢？答案是否定的。能量在轉(zhuǎn)化過程中，不僅是守恒的，還具有一定的方向性。能量轉(zhuǎn)化的方向性問題由熱力學第二定律來描述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。也就是說，第二類永動機是不可能制成的。因此，人類在擺脫地球引力，掙脫束縛時，必須要乘坐通過消耗燃料來提供動力的宇宙飛船。

能量轉(zhuǎn)化的方向性也在表明：人類可利用的能量正在不斷地減少。正因為如此，能源危機的問題提到了日程上。如果不尋求新能源，末日片中人類所面臨的嚴重生存問題，將會出現(xiàn)在我們的現(xiàn)實生活中。

20世紀，人類發(fā)現(xiàn)一種新的能量形式——核能。目前核能釋放的方式有核聚變和核裂變。核裂變大家并不陌生，原子彈的爆炸就是一種不可控的核裂變過程。而核電站中的核反應則是人工可控的核裂變過程。將強大的核能釋放出來轉(zhuǎn)化為電能，是核電站發(fā)電的工作原理。而核聚變更是與我們息息相關，頭頂?shù)奶枱o時無刻不在進行著核聚變，為我們提供著源源不斷的能量。

此外，氫彈的爆炸過程也是不可控的核聚變反應過程，并且比核裂變具有更大的優(yōu)勢：產(chǎn)生的能量更多，對環(huán)境無害，海洋中含有豐富的核聚變?nèi)剂?。雖然目前還沒辦法實現(xiàn)核聚變的人工可控，但是人工可控核聚變具有極大的前景。

永恒的“破缺”

瞭望星空，疑問便會接踵而至，是否只有對稱性對應的守恒量呢？答案依然是否定的。物理中還有另一種現(xiàn)象的存在——對稱性破缺。牛頓力學認為，宇稱是守恒的，但在弱相互作用過程中，宇稱并不守恒。這就是由楊振寧和李政道首次提出的宇稱不守恒定律，也就是說宇稱破缺了。更有科學家認為正是由于物理定律存在輕微的不對稱，使粒子的電荷不對稱，導致宇宙大爆炸之初生成的物質(zhì)比反物質(zhì)略多，大部分物質(zhì)與反物質(zhì)相湮滅，剩余的物質(zhì)才形成了我們今天所認識的世界。

除了宇稱破缺，還有其他的破缺，比如非常著名的對稱性自發(fā)破缺等。在現(xiàn)代物理學中，對稱性的研究能幫助我們對自然界的物理規(guī)律有更深刻的理解。

如此看來，宇宙中不僅存在著對稱性，也存在著對稱性破缺。而這些只是宇宙秘密中的冰山一角。人類的探索鑄就了現(xiàn)在的發(fā)展，憧憬的力量將繼續(xù)推動著人類去探尋這個無窮的宇宙。