首發(fā)于2017年5月16日

能量的三大終極問(wèn)題：

你是誰(shuí)，從哪兒來(lái)，到哪兒去？

我們千辛萬(wàn)苦開(kāi)發(fā)能源，歸根結(jié)底就是為了拿到能量。

那么，能量是啥呢？

簡(jiǎn)單地講，能量，就是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。

但這個(gè)簡(jiǎn)潔的定義不能服人。因?yàn)榇蠹叶贾溃涸谶@個(gè)奇葩宇宙，沒(méi)有什么是不運(yùn)動(dòng)的，我們身上的每一個(gè)夸克都在運(yùn)動(dòng)，然而你感到處處充滿能量了么？

所以，物質(zhì)純潔無(wú)邪的運(yùn)動(dòng)，并不是人類所說(shuō)的能量。

我們想要的是，把這個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成可以控制和利用的“能力”——這才叫能量。

為啥要用“轉(zhuǎn)化”，而不用“創(chuàng)造”這個(gè)勵(lì)志的詞呢？因?yàn)?，能量是?chuàng)造不出來(lái)的。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，宇宙中的能量是守恒的，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，既不會(huì)無(wú)故缺斤少兩，也不會(huì)憑空超值贈(zèng)送，絕對(duì)保值，童叟無(wú)欺。

那么問(wèn)題便帶著誠(chéng)意撲面而來(lái)了：

·物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有那么多姿勢(shì)，轉(zhuǎn)換成啥才能為我所用呢？

·能量到底是從哪里來(lái)的呢？

下面，我們從各種運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)出發(fā)，開(kāi)扒各種能量的祖宗十八代。

先說(shuō)最熟悉的：火。這是人類最早馴服的自然力（見(jiàn)《能源極簡(jiǎn)史》）。

不管是一百多萬(wàn)年前燒柴，還是如今燒煤、石油、天然氣，所得到的能量，都來(lái)自化學(xué)能。

化學(xué)能，顧名思義，就是在化學(xué)反應(yīng)中，所吸收、釋放的能量。

小學(xué)自然老師告訴我們：化學(xué)反應(yīng)有很多種，其中一種叫氧化反應(yīng)。

氧化激烈時(shí)，就會(huì)發(fā)光發(fā)熱，產(chǎn)生歷史老師所說(shuō)的“照亮人類文明之路”的火焰。

那么，氧化是咋搞出光、熱、火焰的呢？光、熱、火究竟是啥東西？

這個(gè)問(wèn)題扯出了物理老師，事情就復(fù)雜了。復(fù)雜到需要語(yǔ)文老師足夠強(qiáng)大，我們才聽(tīng)得懂。

這次，我們絕不首先動(dòng)用美術(shù)老師，盡量只用文字說(shuō)清所有事。下面，燒。腦。開(kāi)。始。

大家知道，凡是可以燒的東西，都是原子混搭而成的。

原子呢？是原子核和電子混搭成的。

而原子核，又是質(zhì)子和中子混搭成的。

問(wèn)題的關(guān)鍵來(lái)了：質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電。

異性相吸的道理，相信大家深有體會(huì)，而一夫一妻制，自古以來(lái)就是原子國(guó)人民智慧的結(jié)晶，所以全世界無(wú)產(chǎn)階級(jí)都知道：一個(gè)原子核有幾個(gè)質(zhì)子，它就能勾引幾個(gè)電子。

勾引來(lái)的電子不管有幾個(gè)，都緊密?chē)@在以原子核為核心的原子周?chē)w揚(yáng)成歡樂(lè)的電子云。

游戲規(guī)則：原子核只要按照質(zhì)子數(shù)N，集齊了N個(gè)電子，就召喚出一只完美的原子。

啥叫完美？正負(fù)相抵、陰陽(yáng)平衡，這就是一只情緒基本穩(wěn)定的原子。

說(shuō)到穩(wěn)定，這其實(shí)是宇宙的最終歸宿。

雖然宇宙看上去狂（活）躁（力）不（四）安（射），但它總體上（每一個(gè)原子）都是喜歡穩(wěn)定的。一般來(lái)講，能量越低越穩(wěn)定。

當(dāng)穩(wěn)定壓倒了一切，達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定時(shí)，就是傳說(shuō)中的宇宙末日——熱寂。

然而，在這個(gè)充滿了運(yùn)動(dòng)、充滿了相互作用的年輕宇宙中，能量分配極度不均，基尼系數(shù)極其嚇人，想要穩(wěn)定也沒(méi)那么容易。

就說(shuō)原子吧，不管什么原因，比如有外部勢(shì)力讓它的電子多了或者少了，破壞了一夫一妻制，那它就成了“離子”，電性整體上顯正或者負(fù)，這就不淡定了，要去跟別的異性原子合體，搞個(gè)漢大幫，才能安撫那顆躁動(dòng)的心。

那么，如果整個(gè)原子呈“電中性”，也就是電子和質(zhì)子數(shù)正好相等、完美執(zhí)行了一夫一妻制，原子是否就不躁動(dòng)了呢？

不是的，因?yàn)殡娮印⒃雍硕荚诓煌５剡\(yùn)動(dòng)。

想象一下：在狂風(fēng)中，一只飄擺不定的蜂窩，那是運(yùn)動(dòng)中的原子核，圍著蜂窩飛舞的蜜蜂，就是電子云，大家都在壯懷激烈地做不可描述的運(yùn)動(dòng)，所以，你沒(méi)法要求蜜蜂以蜂窩為球心，飛出一個(gè)完美的球形。

原子核、電子云的運(yùn)動(dòng)比蜜蜂家激烈多了，所以電子云不是這邊密一些，就是那里稀一些。前面說(shuō)了，電子帶負(fù)電，質(zhì)子帶正電，所以，電子云密的方向，電性就顯負(fù)，反方向就顯正，簡(jiǎn)單的講，這就有了正負(fù)極，是不是很眼熟？是的，整個(gè)原子就像一枚小磁鐵。

這個(gè)正負(fù)極，雖然瞬瞬間都變幻莫測(cè)，但當(dāng)兩個(gè)原子相遇時(shí)，這個(gè)瞬間偶極就會(huì)讓它倆搞在一起，這就是為什么好好的原子會(huì)黏在一起變成分子，分子也會(huì)有極性，這樣就可以合成更大的分子……

當(dāng)然，原子們搞在一起的理由有很多，比如合作雙贏資源共享追求外層8個(gè)電子的土豪穩(wěn)定生活等等。

不同的理由，就有不同的結(jié)合方式，什么范德華力、氫鍵、鹵鍵等等，但不管什么鬼，大家用的都是同一種力：電磁力。電磁力的本質(zhì)，是粒子之間交換光子，從而產(chǎn)生的相互作用。

電磁力是個(gè)好東西，有吸有斥，張弛有度。

不管是原子核VS電子，還是原子VS原子，都是用吸力搞在一起，用斥力和運(yùn)動(dòng)保持距離。

說(shuō)了這么多，只為一個(gè)簡(jiǎn)單的道理：所謂化學(xué)反應(yīng)，表面上看，是原子們的各種拆裝組合，實(shí)際上呢，就是電磁力的各種轉(zhuǎn)換。

前面說(shuō)了，能量是守恒的，必須等量交換，一手錢(qián)一手貨，這筆交易，在外界看來(lái)，就是吸收能量、釋放能量。舉個(gè)粒子：

電子和原子核本來(lái)好好地搞在一起，要想拆開(kāi)它們，就得拿能量來(lái)?yè)Q，比方說(shuō)塞給電子一枚高曉鳳，哦不，一枚光子，電子摟著光子就興奮起來(lái)、速度加快，快到能擺脫電磁力，飛到城市的另一邊。這個(gè)反應(yīng)在吃瓜群眾看來(lái)，就是原子在吸收能量。

相反，一枚電子闖進(jìn)原子核的勢(shì)力范圍，被原子核勾引，想要在一起，電子就得減速、扔掉一部分能量，這樣才能被電磁力吸引住。這個(gè)反應(yīng)在吃瓜群眾看來(lái)，就是原子在釋放能量。

當(dāng)然，實(shí)際的物理、化學(xué)反應(yīng)要復(fù)雜得多，吸收、釋放能量的原因和方式也很多，篇幅關(guān)系，不能全聊，但有一個(gè)字必須聊好：熱。

所謂熱，其實(shí)就是熱運(yùn)動(dòng)，說(shuō)文言文：就是原子、分子們不停地亂動(dòng)。

千萬(wàn)不要小瞧了小伙伴們的亂動(dòng)，這個(gè)速度是很快的：

在室溫下，如果把一個(gè)空氣分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)捋成一個(gè)方向，它每秒鐘可以跑400米，比普通手槍子彈還快一點(diǎn)哦。

亂動(dòng)越劇烈，就越“熱”，反之當(dāng)然就越“冷”。

在人類已知的宇宙里，沒(méi)有哪個(gè)原子是不做熱運(yùn)動(dòng)的。

而我們知道，質(zhì)子、電子都是帶電的，不管正電負(fù)電，帶電物體一運(yùn)動(dòng)，就會(huì)立即產(chǎn)生磁場(chǎng)，奇妙的是，運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)又會(huì)立即產(chǎn)生電場(chǎng)，這樣瞬間循環(huán)開(kāi)，飛速傳出去，就是傳說(shuō)中的電磁波（詳見(jiàn)《波動(dòng)傳奇》）。

電磁波的速度都是一樣，每秒29.9792458萬(wàn)公里，但能量不一樣，波長(zhǎng)越短、頻率越高，能量就越大。

波長(zhǎng)380~780納米的電磁波，人類可以看見(jiàn)，我們管它叫做“光”。

波長(zhǎng)比光短的，我們管它叫紫外線、X射線、伽馬射線等。

波長(zhǎng)比光長(zhǎng)的，我們管它叫紅外線、微波、射電波等等。

原子亂動(dòng)可以發(fā)射電磁波，也就是扔出能量，冷靜下來(lái)。

反之，電磁波射過(guò)來(lái)，原子也可以接收，得到能量，興奮起來(lái)。

既然頻率越高、波長(zhǎng)越短，能量就越大，那么，是不是說(shuō)，波長(zhǎng)越短的電磁波，就越容易讓物體變熱呢？

并不是。

最容易讓原子做熱運(yùn)動(dòng)的，是紅外線。因?yàn)樗念l率最容易引起原子共振，大家一起做運(yùn)動(dòng)。所以，越接近紅外線頻率的電磁波，加熱的效率就越高。

能量很高的紫外線、X射線呢？它們可以打飛電子、破壞分子結(jié)構(gòu)什么的，但很難引起原子熱運(yùn)動(dòng)。

所以，我們用紅外線、微波加熱，卻不用紫外線、X光加熱。

搞清楚了光、熱的關(guān)系，就可以開(kāi)始我們的氧化大業(yè)了。

我們這里只談狹義氧化，也就是和氧氣化合的反應(yīng)。

一場(chǎng)氧化反應(yīng)，總體上是吸能還是放能呢？這要看具體情況。

同樣的原子，不同的分子組合，它們需要的能量是不一樣的。比如氫氣分子、氧氣分子，它們?cè)诜磻?yīng)前，保持現(xiàn)狀的能量就比較高，但如果它們起反應(yīng)，變成水分子呢？水分子這種結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，需要的能量低，所以，氫、氧化合成水，總體上就是放熱。

而氮?dú)夂脱鯕饣夏?，就正好相反。因?yàn)樾纬梢谎趸枰哪芰浚笥诓痖_(kāi)氧分子、氮分子所釋放的能量。也就是說(shuō)，你想拆開(kāi)氧分子、氮分子，讓氧原子和氮原子結(jié)合，必須倒搭點(diǎn)能量進(jìn)去才做得到。所以，氮氧化合，總體上是吸熱。

柴也好，煤炭、油氣也罷，它們的主要原料是碳、氫之類。這些原子，很容易和氧結(jié)合。并且，都是釋放能量。所以，我們拿它們當(dāng)主要能源，而不是燒氮?dú)狻?/span>

前面說(shuō)過(guò)，小伙伴們需要運(yùn)動(dòng)，才能搞在一起。運(yùn)動(dòng)太孱弱，搞不到一起去，運(yùn)動(dòng)太暴烈，也沒(méi)法結(jié)合。

所以，氧化反應(yīng)之前，需要輸入恰當(dāng)?shù)哪芰?，讓一部分原子先運(yùn)動(dòng)起來(lái)，最終帶動(dòng)大家共同運(yùn)動(dòng)，這就是“點(diǎn)火”。

當(dāng)一部分小伙伴們的運(yùn)動(dòng)劇烈到一定程度，氧、碳、氫這些分子，就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，改裝成水呀、二氧化碳之類的分子，產(chǎn)生大量的電磁波，一小部分可以被我們看見(jiàn)，這就是光，多數(shù)我們看不見(jiàn)，比如紅外線、微波之類，這是舞蹈的旋律，其它小伙伴感受到這個(gè)旋律，就會(huì)共振起舞、激起電磁波——這叫熱輻射；同時(shí)，它們的狂舞，還會(huì)撞動(dòng)身邊的小伙伴一起狂舞，這叫熱傳導(dǎo)；狂舞、輕舞的小伙伴來(lái)回亂竄混合，這叫熱對(duì)流。

熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，可以讓幾個(gè)小伙伴的氧化反應(yīng)，迅速引發(fā)億萬(wàn)個(gè)小伙伴的氧化反應(yīng)，這種劇烈的氧化反應(yīng)，就叫燃燒。

而所謂火焰，其實(shí)是正在發(fā)生劇烈反應(yīng)的高溫氣體、等離子體之類，這些高溫氣體比周?chē)目諝廨p，所以上升，下面呢，就不斷補(bǔ)充新產(chǎn)生的氣化燃料和空氣，繼續(xù)反應(yīng)，所以我們看到的火，總是搖曳上升的樣子。至于火苗各部分顏色不一樣，那是由于各部分的供氧量不一樣、反應(yīng)劇烈程度不一樣的原因。

所以火本身并不是某種具體的東西，而是物質(zhì)氣化、氧化過(guò)程中的一種發(fā)光發(fā)熱的狀態(tài)。所以，古人把火作為一種具體的事物，甚至與水、金等元素并列，那只是人類小時(shí)候?qū)ψ匀坏囊环N直覺(jué)認(rèn)識(shí)罷了。

說(shuō)到這兒，就很容易理解火的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程了：

讓燃料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，釋放能量，通過(guò)熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，轉(zhuǎn)化到我們的目標(biāo)上，達(dá)到不可描述的目的——

·讓食物中的分子劇烈運(yùn)動(dòng)起來(lái)，劇烈到一定程度，就可以扯斷食物的分子鍵，破壞細(xì)胞、蛋白質(zhì)等東西的結(jié)構(gòu)，這樣吃起來(lái)、消化起來(lái)就省力多了，如果破壞太過(guò)，讓食物碳化了，那就是燒糊了。

·讓金屬分子運(yùn)動(dòng)劇烈起來(lái)，就可以破壞它的分子結(jié)構(gòu)，讓它從堅(jiān)硬的固體變成柔軟的液體，任我取用。

·燃燒猛烈到一定程度，瞬間產(chǎn)生大量的氣體、釋放大量能量，迅速膨脹，那就是爆炸。

·原子的運(yùn)動(dòng)越激烈，它們的碰撞就越猛烈，彼此之間的距離就越大，這樣就會(huì)形成向外的壓力。我們把這種必須釋放的壓力，成功地轉(zhuǎn)化成了自己可以控制的動(dòng)能、機(jī)械能等能量，比如發(fā)電機(jī)、蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、火箭、炸彈等等。

這就是人類常用的火，一種化學(xué)能的來(lái)源，它屬于原子運(yùn)動(dòng)、電磁力能量轉(zhuǎn)化的一種。這種轉(zhuǎn)化的效率不是很高，搞不好還背負(fù)污染環(huán)境的罵名。

好在能量轉(zhuǎn)化的姿勢(shì)不止這一種。其他種種，我們以后再聊。