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谈能量

能量是什么？

2018/05/25   维加斯新闻报
晏成和

    前两篇文章，谈到了二氧化碳已经是稳定的最低能量状态，所以不能够继续燃烧；谈到了动物呼吸表面上看是个生物学的现象，然而这个现象背后的推手、始作俑者是在呼吸中获得了能量。
    能量是当今社会最常用的词。能量，看不见、摸不著，但又无所不在。
    能量却是现代科学的重要概念、广泛运用，充斥在当今全部物理学理论中，但是我们的物理学却不能解读能量是什么。能量，这无所不在的物理概念已经使现代物理理论陷于“不知所云”的囧地，却仍然在广为传播。
 
    在中学我们就学了各种形式的能量——动能、势能，电能、化学能太阳能；学习了能量转换、能量守恒。能量是什么，能量是怎样转换？能量为什么会守恒？一直是困惑科学界的自然之谜。
 
    在此，要探讨能量，我们首先从看得见的能量——动能、势能谈起。
    飞驰的火车具有动能、瀑布上游的水携带势能，游乐场上的过山车是势能、动能转换的绝佳体现。由此我们发现：动能是物体（质）运动所蕴含的能量；势能则是蓄势待发、将要运动，我们能明确知道势能物质将要运动的方向，二者在运动中相互转换，宏观能量告诉我们：能量与运动及运动趋势密切相关。
 
    在微观，能量也与运动密切相关，最明显的是电能。电能来自电流——电子的（宏观）运动。电压——电动势、确立了电子将要运动的方向，在电压作用下，电子运动形成电流、形成了电能。很明显，电子的运动携带了电能，电子的运动是电能的载体。电能可以与热能、化学能、光能等相互转化，那么，这各种微观能量也应该与电子运动相关。
我们知道，物质内最活跃、最明显运动的是核外电子，那么“物质内电子的运动会不会是这各种微观能量的载体？”这是一个逻辑明析的思维方向，我们的探索当然应该由此深入。但是，这合情合理的思路却遇到了不可逾越的障碍。
 
    一百年前，有牛人提出了核外电子的运动是无规律的“电子云”。后来学者虔诚奉行，使之成为理论。之后的量子物理的波、粒二象性理论、测不准原理，强化了电子运动不可知论，还论证说：粒子的运动是测不准的，探讨单个粒子的运动没有意义，研讨电子的运动线路、速率是不懂量子力学、是低级、幼稚，是陈旧的经典思维。由此，强迫划界了科研禁区，建立了思想囹圄。于是，无人敢（也无法）把精确守恒的能量与这“如烟似雾”的电子运动进行逻辑联系，学界忌讳探讨核外电子的规律运动，使能量的探索没有了方向。
 
    热力学不敢探讨“热”与核外电子速率之间的关系，天天看见火光，也不敢有热、光与电子运动的物理联想。只能依据宏观的布朗运动把热定义在分子级别，说“热是大量分子无规则运动的表现”。这一统计学理论已经流传久远。现在不妨进行一点推敲：任何物质分子的品质都是电子品质的3600倍以上，如果电子是只皮鞋，分子则是一辆卡车。电能转换成热能，按分子热学，是电子的运动造成了分子的无规则振动——扔一只皮鞋，打得大卡车晃悠？这天方夜谭的理论，在教科书上忽悠了近两百年。
 
    在拙博《热是什么？》谈到在火光中发现：物质温度高时核外电子速率高、跃迁发出高频光波；反之，温度降低时电子速率下降、跃迁发出光波的频率随之下降。核外电子的运动速率随温度有规律地变化，物质吸热温度高——核外电子速率升高。这是一个被当今物理忽略的重要细节。
    （实验及研讨过程请看我新浪博文1、热是什么？温度一）
     由此论证：温度——电子的运动速度；热能——核外电子的动能。回答了热是什么，把热与核外电子运动之间建立关联。高温物质向外辐射电磁波（光线、红外线）并降低自身温度；低温物质接受辐射加快核外电子速率——提升温度。在事实的基础上把热能与核外电子相应的运动建立了逻辑联系，顺带也论证了热力学第二定理。
 
    《物理化学》探讨化学能，但忌讳涉足物质电子的规律运动，无奈之下制造了“焓”“熵”这样貌似高深又不能自圆其说的新名词。使化学能变得很玄，为什么氧有焓、碳有焓，烧成二氧化碳熵就大增、焓就没了，焓藏在物质中的哪里？它又是怎样逃跑了？脱离电子规律运动与能量的内在实际联系，编造抽象的新词使物理学陷入迷茫。对电子规律运动的回避、对核外电子速率的回避，回答不了人为什么要呼吸？也回答不了孩子的天问：奔跑之后为什么要大口喘气。
编造新词、禁锢思维、只能使近代物理的研究失去了方向，种种奇怪的理论造成了科学几十年的沉寂。
（关于化学能、生物能请看我的博文，核外电子与化学（3））
 
     亿万年来，太阳的辐射（光能）加速了地球上的核外电子，通过光合作用，形成了核外电子速率较高的碳氢化合物——植物、动物（生物能）、还有氧气。亿万年后形成了煤炭、石油，这些物质的核外电子速率仍然很高（富含化学能）。今天，我们开采了这些碳氢化合物，利用它们核外电子的部分速率，与氧化合、燃烧，推动了汽车、火箭。由-化学能-热能-机械能-动能，自然的法则就是这么和谐简单。
 
    核外电子本来就在绕核运转着，电子品质不大、速率却很高，大自然用电子的运动速率携带能量，用电子的运动方式的不同实现能量转换（见下表）。因为转换前后的能量都是电子的运动，由一种电子运动形式传递、转换成另外的运动形式，所以总量不变——能量守恒。
 
    热能
    核外电子运转速率的动能
    化学能
    物质内具有较高速率的核外电子的动能
    光能
        核外电子跃迁辐射的电磁波
    电能
    电子在电压作用下宏观运动的动能
    机械能
    核外电子的动能转换的宏观表现
    生物能
    核外电子的动能在生物体内的体现
  
    思想冲破“电子云、测不准”的禁锢，关注核外电子的规律运动，能量问题迎刃而解，能量的天问就有了回答：物质能量是电子规则运动的动能，能量蕴含在电子规律运动的速率之中，能量由电子的运动进行传递、转换。
除了核能，（我的文章不涉及核内，因为我不太懂）所有的能量都是核外电子运动的宏观表现，各种能量的存在和相互转换都与核外电子的运动密切相关。
 
    探讨核外电子有规律的运动，揭示了物质能量的内涵，表中这些能量都是核外电子的动能，核外电子的不同运动就是能量在物质间转换、转移、贮藏并且守恒的内在原因；核外电子规律运动是能量转换、守恒的纽带。
能量为什么会守恒？能量为什么能在物质之间转移、能量的形式为什么能相互转换？其内因就是核外电子的运动。核外电子的运动方式、运动速率、运动的动能，是独立呈现的热能、光能、化学能、生物能存在相互联系的内在原因；核外电子的规律运动，是能量转换、能量守恒的内在原因。