關於 能量究竟是什麼 ,有哪些合理的理論或猜想?

時間 2021-05-07 18:46:36

1樓:不慍

能量是粒子的運動,低能領域的熱能主要是分子位面的粒子運動,電能是電子的運動,光能是光子位面(大小層面)的粒子運動,輻射和電磁波是對應位面粒子的運動,能理解嗎,不懂我可以繼續解釋

2樓:劉順強一一用事實說話

物體運動因有能量,能量是物體運動的能力。比如人如果沒有食物能的轉化,就會沒有力量,力氣。汽車沒有能源汽油的教化,汽車就不會運動。因此,可以說:萬物運動因有能。

3樓:誰願共鳴

見博文《宇宙物理學全釋》第二章(物質與能量)

能量應該分物態能量和勢態能量兩種,是人們把兩者混合在一起,給大家造成了困惑!

4樓:jojo

隨便想的,能量是個相對概念,描述物質不同狀態之間的差異。狀態可以是以速度,化學鍵,原子核,光子變電子…

能量的意義是可以把物質的各種屬性聯絡起來,這個太6了,比如說汽車驅動,燃料物質的原子化學鍵的變化導致了整車車速的改變。

5樓:霸王槍

首先不贊同最高票回答:「而形式邏輯中,公理和定義之類的東西都是沒有原因的。所以去針對它們來問為什麼都不是科學的行為。

」 對公理和定義之類的質疑是不科學的行為?沒有對歐幾里得幾何的質疑能有後面的非歐幾何?現代科學最大的進步之一,就是人們明白了一切公理或定義只要有哪怕一點與現實相佐的地方,那麼就有被質疑的科學意義。

所以能量的本質是什麼當然具有物理意義。在相對論中,動量的4 vector形式下,時間分量就是E/c。所以可以這麼理解,我們所謂的三維空間中的能量其實是4維動量在時間軸上的分量。

進一步說,任何物體都是在時間空間這個四維空間中運動的。在這樣的背景下,所有的向量都據有4個分量,簡而言之就是三維空間分量和時間分量,並且這四個分量是有聯絡的,因為4 vector的gorm在任何座標系中都應該恆定。

簡而言之,能量是和時間維度緊密聯絡的乙個量,是四維動量在時間上的分量。如果題主知道薛丁格方程,就會知道,在量子力學中,三維動量和座標, 能量和時間,剛好兩兩對應。

6樓:吳大喵

其實這類問題最標準答案就是「能量就是能量」。題主不希望這種答案,我認為本質上體現了兩點,也是物理初學者或科學愛好者經常進入的誤區:1.

沒有理解物理學在幹什麼,2. 不能比較形象直觀的理解抽象的物理概念的含義。

1.物理學是通過形式邏輯基礎進行的演繹推理和歸納總結方法獲得的實驗結果,來找尋現象間基本和一般性的聯絡。而形式邏輯中,公理和定義之類的東西都是沒有原因的。

所以去針對它們來問為什麼都不是科學的行為。也就是說,在物理學中,諸如:時間是什麼?

、空間是什麼?、為什麼光速不變?為什麼能量守恆?

這類的問題都是沒有意義的(前兩者無法通過科學的方法回答,後兩者是針對公理的無意義的疑問)。當然,你也可以選擇不相信這些公理,去提出新的理論,但你的理論要符合實驗,並能解決舊理論解決不了的問題才行。其實我們不少人都嘗試過對上述的乙個或幾個問題進行妄想,很多人也正是由此而來的好奇心驅使他走向物理這條路。

但你不得不承認,對於物理這個學科而言,這些問題本來就是「錯誤的提問」,是物理學裡不會回答的東西。

另外,由於物理理論存在公理體系的不同,乙個理論源頭的部分可能被另乙個理論解釋。比如在牛頓力學中,萬有引力就是乙個力。而廣義相對論通過光速不變和等價原理兩條公理對引力做出了乙個時空彎曲的解釋。

這並不是說我們更加了解了所謂「引力的本質」,只是不同的理論體系對同乙個問題的回答不同而已。也就是說,牛頓力學、相對論、量子力學、量子場論等等並不存在誰比誰高明、誰比誰深入的問題,只是它們有不同的適用範圍和公理體系。

2. 下面我就簡單的在牛頓定律的基礎上來粗淺地表達一下能量大致是個什麼東西。

我們知道根據牛頓定律,有:

進而:即所謂衝量定理。這裡我們觀察到,F是過程相關的,它每乙個時刻都在變,你需要求出乙個積分才能得到等式左邊的值。

而v是過程無關的,它只是初始和末尾狀態的表示,只需要向量做差就能求出來。就是說,經過了一段複雜的過程,其作用相當於兩個狀態的差值。研究等式左側的複雜多變的受力隨時間情況,等價於研究右側簡單直觀的狀態量的差。

這其實是將複雜的問題大大簡化了。

這就相當於,乙隻螞蟻在尺子上爬,我可以通過研究螞蟻每時每刻的運動來算出螞蟻一共移動了多少距離,也可以通過直接從尺子上讀出螞蟻的座標,通過做差來求出螞蟻移動的量,而後者顯然要簡單許多。

上面的式子中,速度是乙個向量,它會有多個引數。為了使右邊的式子更加簡單,我們不妨對微分方程做乙個處理,讓其左右兩邊都點乘v,有:

積分後,有:

這裡,右邊的部分就是乙個標量,或者說,能代表物體狀態的乙個數字、乙個標度,它是由質量和速度決定的。

而對於左側的Fdx,我們也嘗試在其中尋找過程無關的標度。我們發現:重力做功、彈簧做功都能通過積分轉化成兩個狀態的差值,每一種狀態都和物體中不同的要素相關,而這些狀態量的量綱都是一樣的。

我們把所有找到的這些同種量綱狀態量稱為能量。

之後,焦耳等人進行了功熱當量的實驗,建立了機械能和內能的聯絡,為熱力學第一定律建立了基礎。再之後,電磁學中的電場和磁場也能用能量進行標度。

其實說到這裡,能量是個什麼東西就比較明朗了——其實物體的能量和位置、動量、時刻等狀態量一樣,都是不同「尺子」上的刻度。我們用能量這把「尺子」標定物體的某種狀態,就像我們用座標描述物體的位置一樣。既然能量被用來作為一把「尺子」,它自然就會是守恆的。

在上述的論述中,我們根據牛頓力學等理論推出了能量守恆。但如果站在分析力學這個更高的視角,我們可以得到每乙個不變性(或者說對稱性)都對應乙個守恆量的結論,即諾特定理(Noether's theorem)。

拉格朗日力學是分析力學的乙個重要分支,與牛頓那種需要「受力分析」的力學不同,它是通過所謂「最小作用量原理」來找到運動方程的。其中作用量(action)被定義為:

其中t是時間,q是廣義座標(廣義座標可以有很多個,它未必是座標值,而是能描述系統位置資訊的最少個數的幾個數值,可能是座標、角度、百分比、或者其它表示位置關係的引數等等)。

而 是拉格朗日函式(Lagrangian),T和V分別是系統的動能和勢能。

所謂最小作用量原理,就是目前我有無數個可能的運動q(t),但只有S最小的時候的那個運動才是真的,這個時候

進而可以得到系統的運動所滿足的方程,即尤拉-拉格朗日方程:

諾特定理希望探索系統在經歷「某個連續變化」下,如果系統的運動特徵不變(即作用量不變),會匯出什麼樣的結論。

我們這樣描述「某個連續變化」即:

變成了變成了其中 是無窮小量,T是時間量綱的常數。

而經歷這個變化後的最小作用量變為:

我們不妨將 視為 的函式,則經歷了這個小的連續變換後作用量不變這件事就可以描述為:

經過一系列推式子後,可以得到:

如果系統在時間平移變換下不變,這個不變的常數就是:

乍一看這個常數並不是我們常見的能量的形式,但如果我們補充一些條件:假定系統是封閉的,即整個拉格朗日函式都不隨時間變化,再假定該系統是個保守力系統,即系統的勢能只和廣義座標有關。另外我們還有:

根據以上條件,有:

因此正好是我們熟知的能量的形式。

其實常見的對稱性和守恆量的關係有三種:

時間平移不變性->能量守恆

空間平移不變性->動量守恆

空間旋轉不變性->角動量守恆

量子力學也是在拉格朗日力學的框架下建立的,但量子力學將物質描述成所謂的疊加態,而位置、動量、能量等資訊是所謂表象,是需要通過測量(即某種相互作用),使得物質的態塌縮到這個表象上從而顯現出的乙個值。因此,能量在這裡就不是乙個簡單的體現系統特徵的量,而是表徵系統在某些作用後的乙個結果。

另外值得一提的是,在廣義相對論中,由於時空是不平直的,因此不具備時間平移不變性,所以廣義相對論裡是沒有能量守恆這麼一說的。

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