为什么说能量是守恒的

德国物理学家亥姆霍兹

人类很早就有物质不灭的想法，例如公元前7世纪的泰勒斯。当然，这和现代的能量守恒定律并不完全相同。伽利略在研究钟摆时发现钟摆的势能转换为动能。第一个严格定义动能的人是莱布尼兹，在牛顿力学体系中，一个保守系统中势能和动能之和是不随时间而变的。到了18世纪，人们发现动能可以转换为热能。19世纪，德国医生迈尔发现动能和热能之间的量的关系，和他同时代的焦耳则发现势能也能转换为热能。英国物理学家格罗夫和德国物理学家亥姆霍兹独立发现了现代意义上的能量守恒定律，动能、势能、热能和电磁能可以互相转换，但总量不变。

能量现象随处可见

在一个力学体系里，能量守恒定律是可以推导出来的。例如在牛顿力学中，我们可以从牛顿第二定律推出系统能量的变化等于外力所做的功。如果总外力等于零，那么系统的能量就不变。不过，在力学、热学、电磁学描述的各种不同的系统中，都可以推导出能量守恒。这是不是一个惊人的巧合呢？1915年，德国数学家艾米·诺特告诉我们，这并不是一个巧合。能量守恒定律和力学体系的大部分细节都没有关系，而只是时间平移对称性的结果。如果一个物理系统遵循的运动定律在过去、现在和将来都是一样的，系统中的能量就是守恒的。

爱因斯坦的相对论，把能量和质量联系了起来，使得我们能够从“物质不灭”的角度来理解能量守恒定律。一个孤立的质心静止的物理体系的能量，在外部看来，完全等价于其静态质量。著名的爱因斯坦质能关系是：能量等于质量乘以光速的平方。当这个体系的质心做整体运动时，总能量等于静态质量对应的能量乘以一个与速度有关的因子。有时我们又将总能量对应于运动质量，爱因斯坦关系也成立：总能量等于运动质量乘以光速平方。这样，能量守恒就可以说成是质量守恒。这个陈述与物质不灭的概念最为接近。

如果能量等于质量乘以光速平方，说明质量在一些情况下可以转换为纯粹的动能。例如，光的能量完全是动能，因为光的静止质量为零。质量转换为能量的最直接的例子是一对正负电子湮灭成一对光子，这样正负电子的静止能量完全转换为动能。而光子的能量又能为电子吸收转换为电子的动能——在一个很大的体系中，很多电子的动量其实就是热能。这样，静止能量可以转换为热能，这正是核能源的本质。（李淼）

【微博士】用光速定义“米”

1952年，英国实验物理学家费罗姆用微波干涉仪法测量光速，得到299 792.50（±0.10）千米/秒，1957年被推荐为国际推荐值使用，直至1973年才被美国科学家埃文森等人测量得到的更精确数值299 792 458（±1.2）米/秒所取代。1983年17届国际计量大会通过了米的新定义，把光在真空中1/299 792 458秒所走的距离定义为1米，取代了国际米原器。

【微问题】你认识的能量都包括哪些内容？

【关键词】光速　光速测量　能量守恒