神秘的能量

程度:	初中
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譯自︰Richard Feynman (李察·費曼) "The Feynman Lectures on Physics", Volume I (1970 年版) Chapter 4 Section 4.1 

有一個事實，如果你願意的話，也可以說一條定律，支配著至今我們所知道的一切自然現象，沒有發現這條定律有什麼例外——就我們所知，它是完全正確的。這條定律稱為「能量守恆定律」。它指出，在自然界所經歷的種種變化之中，有一個稱之為能量的物理量是不變的。那是一個很抽象的概念，因為它是一種數學原理；說的是在某種情況發生時，一個數量是不變的，它並不是一種對機製或者具體事物的描寫，而只是一種奇怪的事實：起先我們可以計算某種數值，當我們看完了大自然耍弄的技巧表演後，再計算一次該數值，其結果是相同的。有點類似於在紅方格中的象，移動了幾步後——具體步驟並不清楚——它仍然在某個紅方格裏。我們這條定律就是這種類型的定律。由於這是一種抽象的概念，我們將用一個比喻來說明它的含義。

設想有一個孩子，或許就叫他「淘氣的丹尼斯(Dennis)」，他有一堆積木，這些積木是絕對不會損壞的，也不能分成更小的東西。每一塊都和其餘的相同。讓我們假定他共有 28 塊積木，每天早上他的母親把他連同 28 塊積木一起留在一個房間裡。到了晚上，母親出於好奇心很仔細地點了積木的數目，於是發現了一條關於現象的規律——無論丹尼斯怎樣玩積木，積木數目仍舊是28 塊！這種情況繼續了好幾天，直到有一天她發現，積木只有 27 塊了，但是稍許調查一下就發現在地毯下面還有一塊——為了確信積木的總數沒有改變，她必須到處留神。然而，某一天積木的數目看來有些變化，只有 26 塊了！仔細的調查表明：窗戶已經打開，再朝窗外一看，就發現了另外的兩塊積木。又有一天，經過仔細的清點表明總共有 30 塊積木！這使她相當驚愕，以後才了解到布魯斯 (Bruce) 這個孩子曾帶著他的積木來玩過，並留了幾塊在丹尼斯的房間裡。自從丹尼斯的母親拿走了多餘的積木，把窗關上，並且不再讓布魯斯進來以後，一切都很正常。直到有一次，她清點時發現只有 25 塊積木。然而，在房間裡有一個玩具箱，母親走過去打開這個箱子，但是孩子大聲叫喊道：「不，別打開我的箱子，」不讓她打開玩具箱。這時母親十分好奇，也比較機靈，她想出了一種辦法，她知道一塊積木重 3 安士，有一次當她看到積木有 28 塊時曾經稱過箱子的重量為 16 安士，這一次她想核對一下，就重新稱一下箱子的重量，然後減去 16 安士，再除以 3，於是就發現了以下的式子：

接著，又好像出現了某種新的偏差，但是仔細的研究又指出，浴缸裡的髒水的高度發生了變化，孩子正在把積木扔到水裏去。只是她看不見這些積木，因為水很混濁，不過在她的公式裡再添上一項，她就可以查明在水中有幾塊積木。由於水的高度原來是 6 英寸，每一塊積木會使水升高四分一英寸，因而這個新的公式將是：

在這個複雜性逐漸增加的世界裡，她發現了一系列的項來表示如何計算那些不被允許查看的地方裏的積木數量的方法。結果，她得出了一個複雜公式來計算一個量，無論孩子怎樣玩耍，這個量總是不變的。

這件事情和能量守恒有什麼相似的地方呢？最重要的就是必須從上述的畫面中除去的一點就是，根本沒有積木。在式(1)及式(2)中取走第一項，我們就會發現自己是在計算多少是有點抽象的東西。上述比較的相似之處在於以下幾點。第一，當我們計算能量時，有時其中的一部分離開系統跑掉了，有時又有另一些能量進入這個系統。為了驗證能量守恆，我們必須注意沒有把能量引入系統中或從系統中取走。第二，能量有許多不同的形式，對每一種形式都有一個公式。這些不同形式的能量是：重力勢能、動能、熱能、彈性能、電能、化學能、輻射能、核能、質能。假如我們把表示這些能量的公式全都加在一起，那麼，除非有能量逸出或有其它能量加入，否則其總和是不會改變的。

重要的是要認識到：在今天的物理學中，我們不知道能量究竟是什麼。我們無法「看到」能量以一定數量的小團塊形式出現。它不是那樣的，可是有一些公式可以用來計算某種量，當我們把這些量全部加在一起時，結果就是 “28” 一一總是同一個數目。這是一個抽象的事物，它一點也沒有告訴我們各個公式的機製或者理由是什麼。

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