自序

大约半年前的一个周末，我正在家里看报，收到了孩子网购的一本新书。这是一本名为“正能量”的心理励志书。从事物理教学三十余年的我，自然对这本书产生了强烈的兴趣。在翻阅了几页之后我就发现，这本书中的相关概念与我所熟悉的物理学能量概念并无直接的关系，心理学家怀斯曼重新定义了“正能量”并用这样的名词激励人积极向上。这使得“正能量”在网络和各种媒体上迅速蹿红，成为2013年的流行词。我在这里谈的当然不是怀斯曼的正能量，是名副其实的物理学意义上的正能量。

在物理学中，能量（古希腊语中 νργεια energeia意指“活动、操作”）是一个间接观察到的物理量，它往往被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。由于功被定义为力与其作用距离的乘积，因此能量总是等同于沿着一定的长度阻挡大自然基本力量的能力。

一个物体所含的总能量奠基于其质量，能量如同质量一自序无所不在的正能量——在自然和人类之间流动的能量样，一般不会无中生有或无原因的消失。能量是一个标量。在国际单位制（SI）中，能量的单位是焦耳，但是在有些领域中会习惯使用其他单位如千瓦·时和千卡，这些也是功的单位。在物理学中，不仅需要了解正能量，也需要知道负能量，正负能量不仅都客观存在，并且都具其独特的功能。比如力学中，动能为正能量，而势能可正可负，取决于参考系的选择。而在量子力学中，通常把负势能看成与束缚状态有关，而正的势能则表示自由态或散射态。这是对能量概念的具体化的定义。从普遍的意义上讲，在近现代理论物理学中，根据宇宙诞生的理论，将与我们这个物质世界对应的能量称为正能量，霍金在《时间简史》中说“宇宙中的物质是由正能量组成的”。而负能量可以理解为引力场的能量，由于负能量总被正能量所补偿，所以负能量从不表现出来。因此，从物理学意义上说，世界上的能量都是正能量。

能量概念的重要性和普遍性是不言而喻的。虽然物理学课程中对能量概念的描述是完善的，但把各部分贯穿起来写的文章还很少见到。这样即使学过物理学的学生也不会对能量这个最普通的概念融会贯通，更不用说未学过物理学的文科生或者更广泛的大众了。于是在我心中产生了一种强烈的写作愿望，希望用物理学的方法告诉人们能量的本质含义，以希望借此进一步提高大众的科学素养，拓展人们对于物理学的认知，并推动物理学科普的进步！

我在筹备这本书时，恰好听到吴国玢教授关于KPK的演讲。KPK是德文Der Karlsruhe Physikkurs的缩写，它是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）由赫尔曼教授领衔的团队经多年研究、开拓、发展而创立起来的概念新颖的整套物理学课程。KPK的主要特色之一是确定出各物理学分支学科中与能量有关的广延量，并研究这些广延量在物理过程中流动的相似性。能量是这门新教程中的主干物理量，而类比法是贯穿KPK教程中的一条主线。按照KPK的思路，能量不再是按照各个分支学科或所谓形式分类，而是强调能量在流动过程中所利用的载体和转载体。动量、熵、电荷等均可以成为传递能量的载体。我对这套教材提出的能量的观念很感兴趣，于是在我的这本小册子中采用了KPK的能量观。

在和清华大学出版社有关编辑提出这样的写作意向后，我就开始着手准备资料。然而我并不了解读者们尤其是那些没有物理学背景而又对此饶有兴趣的读者们希望从本书中获取什么样的信息，因此我召开了部分同学参加的座谈会，经过讨论，我将这本书的基调定为以下8个字： 面广、通俗、有说服力。在学生们的启发下，我确定了以下目标： 这本书大体分为两个部分，即自然篇和创造篇。这些内容基本涵盖了宇宙自然和社会生活的方方面面。其中自然篇包括宇宙篇、地球篇。而创造篇包括了人类创造的四种常用能量。每一篇都由独立的一到两个故事组成，努力做到寓学于乐。宇宙篇有两个主题，即“希格斯场的魔法”和“暗流涌动的宇宙”。地球篇则包括四个与地球有关的因素，太阳赋予了地球大部分能量，而月球的影响给我们带来潮汐能，地震和火山反映了地球内部的能量激发，雷电和风暴则反映了大气能量的释放。这四章都用了希腊神话中的人物名字。创造篇也分四章。分别用“轮子创造的神话”、“手机的奇迹”、“曼哈顿工程的启示”以及“物种选择和进化”为标题介绍了机械能、热能、电磁能、核能以及生物能创造的奇迹。这些故事的素材都由我的学生提供，我像是一只无形的手，起到穿针引线的功用，将它们衔接组织起来。

本书能够出版，首先要感谢的是我众多优秀的学生，给予我启发并提供书中故事，他们充实了我的心愿，并帮助我将之付梓。感谢本书所有参考书籍的作者们，由于你们的智慧，才成就这本书。

最后，交代一下我对这本书的定位。国内科学普及还只是停留在小众的范围内，由于时间和人力所限，本书所选素材或所传递的信息总有不尽如人意之处，这并非我所愿，还望读者海涵，并欢迎大家批评指正。我只愿做第一个吃螃蟹的人，在其他学科将物理学名词捧得火热之时，再重新将其本意说与读者听，希望大家能从中收获一点启迪。

顺向合作者杨小蔓女士致谢！并向热心修改本书的姜志进、肖镛槐教授致谢！向悉心给予我们无私指导和鼓励的邹编辑、赵编辑表示衷心的感谢！

作者一： 上海理工大学倪卫新 2015/1