质量是能量，能量又是啥？

题图：Cheva用AI创作

到目前为止，我们解决的质量是什么这个问题吗？严格来说我们只是把问题转化了一下。喜欢思考的人就会继续追问，既然质量就是能量，那能量又是什么呢？

这个说起来有略微有点复杂。我们现在要解决的问题涉及到一个叫做诺特定理的数学定理。是由一位伟大的女数学家发现的——诺特定理。诺特定理，可以说为后面的物理学发展打下了重要的基础，只是因为它的发现者是一个女性。在当时，性别歧视还相当严重的社会氛围下，这位名叫诺特的女科学家并没有引起人们的重视。但就这个发现的本身来说，能值十个诺贝尔奖。诺特定理是关于对称性的，有很多条。其中有一条，就可以拿来作为能量的定义。所谓能量就是具有时间平移对称性的物理定律，所包含的一个守恒量。所谓时间平移对称性，就是物理定律不随时间的变化而变化，比如牛顿发现的万有引力定律，在牛顿的时候它的时候成立，现在也依然成立，哪怕实在太阳系诞生早期也是成立的。这样说来，绝大部分的物理定律都满足时间平移对称性，所以这就有了一条大名鼎鼎的物理定律——能量守恒定律。另外我们知道，爱因斯坦的广义相对论里面包含了时间膨胀现象，也就是说，广义相对论并不符合时间平移对称性。所以相对论可以不符合能量守恒定律。

好吧，再回来说什么是能量呢？根据诺特定律，能量就是物理定律在时间平移对称的条件下所包含的一个守恒的物理量。那这么说有什么意义呢？既然能量是守恒，不知道你以前学物理的时候想过没有，既然能量是守恒的，那也就是说，在我们日常环境中，它不可能被产生出来，也不可能被消灭。（因为宇宙在大尺度上符合广义相对论，宇宙本身的能量可以不守恒，能量可以被创造出来，也许我们这个宇宙就是这样无中生有的。）那我们，平常话语中，为什么会有消耗能量，产生能量这样的说法呢？其实这个产生和消耗，可以理解为转化。

能量在不同的形式之间转换，总量并没有发生变化，那我们人类是不是就，根本不会遇到能源危机呢，既然能量是守恒的，我们是不是换一种方式，就可以再利用我们消耗掉的能量呢？这就又涉及到一个物理学的基本定律，就是热力学第二定律，也叫熵增定律——一个物理系统，在没有外界干预的情况下，只能从低熵状态发展成高熵状态。而只有低熵状态的能量才能被提取利用。虽然能量的总量是不变的，但是高熵状态的能量是无法被提取出来的，是无用的能量。熵这个概念，很多科普书里解释为混乱的程度，不太准确，作为科普也足够了。我们仔细想一想，混乱这个词，是不是带有很强的主观色彩呢？如果走进科学家的实验室，作为一个外行，看到里面摆满了各种科学仪器，它也是混乱不堪的，是高熵状态，因为你不懂，这些仪器和试剂，都是干什么作用的。但是在一个科学家看来，这样的摆法，也许是仅仅有条的，也就是一种低熵的状态。所以从某种意义上来说，确实是这样，既然能量守恒，那我能量就是用不完的。只是我们需要把无法提取能量的高熵状态变成可以提取能量的低熵状态。如何做到这一点呢？上面那个实验室的例子，可以给我们以启示，就是不断地探索世界，发现新的科学规律。在古代人类只能利用木柴、煤炭中的化学能。随着我们对原子结构的探索，如今我们可以利用原子核中的核能。可以利用的能量超过以往所有世纪人类消耗的能量的总和。