什么是能量？

        能量的定义一直是一个比较复杂的问题，或者说能量的定义目前还没有办法完成。这实际上是一个很奇怪的现象。为什么这么说呢？我们来考察一下物理学中大多数的概念，比如说速度是位移与时间之比，密度是质量和体积之比，加速度则是速度变化量和时间之比。你看，所有这些的概念全部都有明确的定义，定义不仅告诉我们这个概念具有怎样的意义，同时还告诉我们计算这个物理量的一种方法。很遗憾，“能量”这个词完全不具备以上两个特点。首先，能量到底是什么？没人说得清楚，因为在不同的历史时期它具有不同的意义，这点等一下会讲到。其次，能量怎么计算？这就更加复杂了，我们很难把能量找全，所以怎么算这个问题自然也就无从谈起。

        事实上，目前几乎没有什么教材对能量有着精确的定义，举个例子，费恩曼认为：“能量是自然界最为抽象的概念。”而漆安慎先生所著的《普通物理学 力学》上则先是引用了一些例子描述了“能量”大致是一个什么东西，但是始终没有对能量下一个定义。漆安慎先生所编写的教材是国内普通物理学（理论物理的初级阶段）的经典教材，而费恩曼则是举世公认的物理学大师、诺贝尔奖得主，他的物理学教学一向以深入浅出著称，然而即使是这样的两个牛人也很难讲清楚能量是什么，所以我们可以暂时地得出一个不严谨却很有意义的结论——“能量是什么”并不重要。

能量是一个状态量

        我们知道，如果两个完全相同的铁块，其中一个的温度比另外一个更高，那么我们有理由认为更加热的那个铁块具有更高的能量。注意，虽然我们说不清楚能量到底是什么，但是我们得出的结论并没有错。一般的思维过程是这样子的：铁块其它的参数都相同，而一个比另一个更热，那么更热的那一个可以加热一些东西（比如说用水淋到它的上面），于是现在两个铁块温度相同了，显然原本更热的铁块的一些“热能”（姑且使用这个还没有经过严格定义的词语）到了水中，而现在两个铁块“热能”相等，于是原本来说更热的那个铁块具有更多的“热能”，但是这两个铁块除了温度不一样其他条件完全相同，所以比较它们所具有的能量只需要比较它们原来“热能”的多少就可以了，因此我们得出结论：温度更高一些的铁块具有更多的能量。

        从上面这个例子中我们看出来，能量是一个状态量；也就是说，在某一个确定的时刻某一个确定的研究对象具有某一个数值的能量。状态量的一个重要特点是静态，也就是考察某一个状态量的大小一般是考察某个静态的时刻（而不是一段时间）这个物理量的取值；这是和过程量极为不同的地方——过程量必须在一段过程中才有意义，而在某个时刻中去表述过程量的大小是没有意义的。举个例子：某个时刻的气压大小是一个状态量，比如在a时刻房间里面的气压大小恰好是1个标准大气压，但是气压变化量就是一个过程量。如果有人问你：“在昨天上午9点整的时候气压变化量是多少？”那么这个问题就没有必要回答，或者你可以反问他：“你指的是那个时刻和什么时候相比的呢？”这个例子很容易理解，因为变化量要对应一个变化过程，单纯的一个时间点并不存在变化量的概念，这就表明过程量必须和物理过程对应。

能量总是变得越来越多

       刚才已经知道，能量是一个状态量，而气压、温度也是一个状态量，对于气压和温度，我们知道当我们指定了时刻和空间位置的时候它们就是一个确定的值了。如果我这么问：“2017年4月26日上午9点整在北京市中心的温度和气压是多少？”想必每个人都会给出相同的答案（当然他们不能是胡说一通）；但是能量却不太一样。

        如果你坐着时光机带着一块铀（前提是你没有被铀产生的巨大放射线照射致死），指着他问牛顿：“尊敬的近代物理学鼻祖，我十分讨厌您发明的那一套体系，这导致我们现代可怜的学生们的精神受到重创。因此我想出了一个问题来让您为难一下——请问这块铀的能量有多少？”

        牛顿听了这个问题，想了一下，取地面为重力势能的零势能面，然后又计算了一下铀块的重量，算出了这个铀块的重力势能，接下来他取地面为参考系，由于你拿着铀块静止不动，因此牛顿得出动能为0的结论；接下来他就很得意地告诉你答案：“这块东西的能量（注意！以牛顿那个时代的化学技术没有人知道铀块是什么东西）就是重力势能加上动能，也就是300焦耳（然而那个时候还没有焦耳这个能量单位，为了方便起见我们暂且假设牛顿作为物理之祖，可以预知焦耳的成就）。”你默默地记下这个答案，然后坐着时光机跑了。

        这次你跑到了爱因斯坦的身边，你指着这块铀对爱因斯坦问了同样的问题：“尊敬的爱因斯坦教授，我想问您一个让您为难的问题——请问这块铀的能量有多少？”为了保持条件相同，你举着这块铀块在相同的高度，相对地面也不做运动，爱因斯坦取了和牛顿一样的零势能面和参考系，然后想了想说这个铀块具有xxx焦耳的能量。这个xxx是如此的巨大，以至于你根本不相信自己的耳朵，因为这和牛顿说的实在差异太大了。你仔细想了想，一个是物理学老祖宗，一个也是凭借一己之力开创物理学新天地的神级物理学家，总不可能有一个人搞错了吧？

        事实上两个人都没有错（这样的结论也保护了两位大佬的名誉），牛顿时代只能把铀块当成一个简单的金属块，所以只能想到重力势能和动能（我们暂且不计内能）；而爱因斯坦可是发现了质能方程的人，自然想得到铀可以制造核弹，所以爱因斯坦认为小小的铀中含有巨大的能量。认知的局限导致了两人对能量总量的认识产生差异，而且随着人类科技的进步和认识的发展，我们总是会发现越来越多的物质变化和运动形式，每一种新的物质变化和运动形式的发现也就意味着一种新的能量被计入物体总能量当中。所以即便是所有因素都相同的情况下对于同一个物体在不同的时代也会产生对其能量总量的不同认知，这就是能量所谓的“越来越多”的道理。显然，思考“能量的总量是多少“没有任何意义。

这篇文章的剩余部分是对功这一概念的讨论，敬请参阅能量和功（2）。