“能量”都去哪儿了

探索未知，能量无处不在

作为科幻剧中不可或缺的重要元素之一，“能量”的存在打开了人类对未知世界的探索。千百年来，我们从未因环境的限制而停止对未知世界的幻想与探索，我们的思绪飞出地球，在太空之间流转。

随着近代科学的发展，穿梭于外太空不再是神话故事中的幻想。20世纪阿姆斯特朗留在月球上的脚印，近几年中国载人航天事业的成功，无一不在告诉我们曾经的幻想已成事实。当然无论是人类的太空探索，还是科幻作品中的设定，都离不开对宇宙能量的理解和应用。

人类对宇宙能量的诸多设想大都围绕对其自由的掌控和利用。不过，像曼哈顿博士那种在一场意外的量子转换实验中获得强大能量的，毕竟是少数。不然宇宙的能量岂不是要失衡了。

既定存在：能量守恒

能量守恒定律是最普遍的基本定律之一。无论在微观世界，还是在宏观、宇观世界都得遵循它。然而，人类τ谀芰渴睾愕娜鲜恫⒎且环风顺。这其中就发生过很多有趣的故事，最有名的故事发生在量子物理学家玻尔和他的学生泡利身上。当时大名鼎鼎的玻尔在研究β衰变时，曾一度产生放弃能量和动量守恒的想法。作为学生的泡利却持有不同的看法，他认为应该坚持能量和动量守恒，为此提出了著名的中微子假说。后来的实验证明，泡利是对的。不难发现，守恒定律在物理研究中十分重要，它不仅指导着理论研究，而且引导着我们发现新的物理规律。

随后的研究发现，原来自然界中每一种连续对称性都与一种守恒量对应，这就是诺特定理。从诺特定理的角度看，能量守恒实际对应的是时间平移对称性，也就是说随着时间的演化，系统的能量保持不变。比如，单摆的运动过程所遵循的就是机械能守恒定律，这是能量守恒的一种形式。

理论研究表明，无论在经典物理，还是现代物理中，能量守恒定律都具有清楚的定义。也就是说，能量守恒定律是作为基本定律被接受的。

即使是在科幻电影中，我们经常会发现能量守恒定律的身影。比如《星际穿越》，能量守恒定律的应用一直伴随在飞船飞行的过程中。飞船消耗燃料为飞行提供动力的过程，包含化学能向动能转化的过程。后来库珀利用黑洞的引力弹弓效应，成功将飞船弹向了第三颗星球，自己却掉入了黑洞。引力弹弓实际就是利用引力势能转化为动能的过程。

目前，引力弹弓已经被应用在实际的卫星发射中。1974年发射的水手10号利用引力弹弓效应实现了对飞船的减速；而2007年发射的旅行者1号则利用引力弹弓对飞船进行了加速。

打破能量的天平？

既然可以利用能量来实现宇宙航行，那么，我们不禁要问，是否所有的能量都可以被利用呢？答案是否定的。能量在转化过程中，不仅是守恒的，还具有一定的方向性。能量转化的方向性问题由热力学第二定律来描述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。也就是说，第二类永动机是不可能制成的。因此，人类在摆脱地球引力，挣脱束缚时，必须要乘坐通过消耗燃料来提供动力的宇宙飞船。

能量转化的方向性也在表明：人类可利用的能量正在不断地减少。正因为如此，能源危机的问题提到了日程上。如果不寻求新能源，末日片中人类所面临的严重生存问题，将会出现在我们的现实生活中。

20世纪，人类发现一种新的能量形式――核能。目前核能释放的方式有核聚变和核裂变。核裂变大家并不陌生，原子弹的爆炸就是一种不可控的核裂变过程。而核电站中的核反应则是人工可控的核裂变过程。将强大的核能释放出来转化为电能，是核电站发电的工作原理。而核聚变更是与我们息息相关，头顶的太阳无时无刻不在进行着核聚变，为我们提供着源源不断的能量。

此外，氢弹的爆炸过程也是不可控的核聚变反应过程，并且比核裂变具有更大的优势：产生的能量更多，对环境无害，海洋中含有丰富的核聚变燃料。虽然目前还没办法实现核聚变的人工可控，但是人工可控核聚变具有极大的前景。

永恒的“破缺”

t望星空，疑问便会接踵而至，是否只有对称性对应的守恒量呢？答案依然是否定的。物理中还有另一种现象的存在――对称性破缺。牛顿力学认为，宇称是守恒的，但在弱相互作用过程中，宇称并不守恒。这就是由杨振宁和李政道首次提出的宇称不守恒定律，也就是说宇称破缺了。更有科学家认为正是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷不对称，导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多，大部分物质与反物质相湮灭，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。

除了宇称破缺，还有其他的破缺，比如非常著名的对称性自发破缺等。在现代物理学中，对称性的研究能帮助我们对自然界的物理规律有更深刻的理解。

如此看来，宇宙中不仅存在着对称性，也存在着对称性破缺。而这些只是宇宙秘密中的冰山一角。人类的探索铸就了现在的发展，憧憬的力量将继续推动着人类去探寻这个无穷的宇宙。