附錄~對『能量』的認知有多少呢？＠諸緣來去何增減？笑擁斜陽照海天。。。

2011-05-24 11:59:48| 人氣2,050| 回應0 | 上一篇 | 下一篇

附錄~對『能量』的認知有多少呢？

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能量，乃物理學中描寫一個系統或一個過程的一個量，就是使物體動或變的力所做的功。一個系統的能量可以被定義為從一個被定義的零能量的狀態轉換為該系統現狀的功的總和。一個系統到底有多少能量，在物理中並不是一個確定的值，它隨著對這個系統的描寫而變換。

舉一個例，我們觀察一個1kg質量固體之能量：

倘研究經典力學而只考慮動能的話，其能量，就是我們要將它從靜止狀態加速到它現有速度所加的功的總和。

倘研究熱學而只對它的內能感興趣的話，那麼它的能量就是我們要將它從絕對零度加熱到它現有溫度所加的功的總和。

倘研究物理化學而只對它所含有的化學能感興趣的話，那麼它的能量就是我們在合成這個個體時對它的原料加入的功的總和。

倘研究原子物理學而只對它所含的原子能感興趣的話，那麼它的能量就是我們從原子能為零的狀態對它做功、使它達到現在狀態的功的總和。

當然我們也可以用反過來的方法，來定義這物體所含的能量，兩例：

該固體的內能，是將它冷卻到絕對零度所釋放出來的功的總和。

該固體的原子能，是將它所含的所有的原子能全部釋放出來的功的總和。

可見，能量是一個非常常用和非常基礎的物理概念，但同時也是一個非常抽象和非常難定義的物理概念。事實上，物理學家一直到19世紀中才真正理解能量這個概念。在此之前能量常常被與力、動量等概念相混。有一段時間裡，物理學家使用過一個稱為「活力」的、與能量非常相似的概念，其意思是一種使物體活潑起來（動起來、熱起來）的力。

英語中的能量一詞energy是兩個希臘詞的組合：εν是「在……之中」的意思，εργοs是「功、勞動」的意思。加在一起 en-ergi 就是「加進去的功」的意思。

在物理學中，能量是最基礎的一個概念之一，從開門的經典力學到宇宙學、相對論和量子力學，能量總是一個中心的概念。

一般在常用語中，或在科普讀物中，「能量」是指一個系統能夠釋放出來的、或者可以從中獲得的、可以相當於做一定量的功。比如說1千克汽油含12千瓦小時能量的話，那麼是指假如將1千克的汽油中的化學能全部施放出來時，可以做12kWh的功。

能量守恆定律，也稱質能守恆定律或熱力學第一定律，是物理學中最基本的定律之一。它指出：在一個封閉的系統中能量既不會增加也不會減少。

雖然在物理學中不存在數學中公理的概念，但能量守恆定律可以被看作是物理學中（也許唯一的）一條公理。從20世紀中開始能量守恆定律沒有被質疑過。沃爾夫岡·泡利在討論β衰變時寧可相信世界上有一種當時物理學家還無法測量的粒子的存在而不願放棄能量守恆定律。20年後中微子的發現證實他的信任是正確的。

從另一個觀點上來看，能量守恆定律也可以被看作是物理學中被實驗最常被驗證的一個定律。事實上，所有的物理實驗，從中學生的第一個實驗到粒子加速器、天文觀察都不斷地證實能量守恆定律的正確性。

真空能量(Vacuum energy)是一種存在於空間中的背景能量，即使在沒有物質的空間（稱為自由空間(free space)）亦然存在。真空能量導致了多數基本力的存在。它的效應可以在各式各樣的實驗中觀測到，例如光的自發放射(spontaneous emission)、伽瑪輻射、凱西米爾效應、凡得瓦爾力、蘭姆位移等等。另外它也被認為與物理宇宙學中的宇宙常數項有關。

物理中，零點能量（可簡稱零點能）是量子力學所描述的物理系統會有的最低能量，此時系統所處的態稱為基態；所有量子力學系統都有零點能量。這個辭彙起源於量子諧振子處在基態時，量子數為零的考量。

在量子場論中，這個辭彙和真空能量是等義詞，指的空無一物的空間仍有此一定能量存在，對一些系統可以造成擾動，並且導致一些量子電動力學會出現的現象，例如蘭姆位移與凱西米爾效應；它的效應可在奈米尺度的元件直接觀測的到。

在宇宙論中，真空能量被視為宇宙常數的來源，和造就了宇宙加速膨脹的暗能量相關。

因為零點能量是一系統可能持有的最低能量，因此此項能量是無法自系統移除。儘管如此，零點能量的概念以及自真空汲取「免費能量」的可能性引起了業餘發明者的注目——許多「永動機」或稱「免費能量裝置」等的提案都運用這項概念來解釋。這項熱潮以及相伴的趣味理論詮釋促成了大眾文化中「零點能量」概念的成長，常出現在科幻書刊、遊戲、電影等處。

在古典物理中，系統能量是種相對性的描述，必須按照與某個特定給定狀態(常稱為「參考態」)的相對關係來定義才有意義。通常的設定是將靜止系統定為零能量，不過這種作法是任意性的。

在量子物理中，將能量與系統的哈密頓算符期望值做連結是很自然的作法。幾乎所有量子力學系統，此算符的最低可能期望值通常不為零；此值即稱為零點能量。

最小能量不為零的起源可以透過海森堡不確定原理來直觀瞭解。此原理指出一量子粒子的位置與動量不可以同時被無限精確地得知。如果粒子被限制在無限深方形阱，則它的位置至少是部份清楚的——它必須在阱裡。因此可以推論：粒子在阱裡動量不能為零，否則不確定原理會被違反。又因為移動粒子的動能正比於速度平方，所以也不會是零。然而此例卻不能用到自由粒子上，自由粒子的動能值可以是零。

在量子場論中，空間的織構(fabric)可以視作是由場所組成，而場在時間與空間中各點是個量子化的簡諧振子，並且有相鄰振子的交互作用。零點能量是哈密頓算符的期望值，但在這裡，「真空期望值」這個辭彙更常使用，而能量稱為真空能量。在量子微擾理論，有時候會說：基本粒子傳遞子(propagator)的單圈(one-loop)與多圈費曼圖貢獻，是來自於真空漲落(vacuum fluctuation)或者說來自於零點能量對於粒子質量的貢獻。

要證明零點能量存在，量子場論中最簡單的實驗證據是凱西米爾效應(Casimir effect)。此效應是在1948年由荷蘭物理學家亨得裏克·凱西米爾(Hendrik B. G. Casimir)所提出，其考慮了一對接地、電中性金屬板之間的量子化電磁場。可以在兩塊板子間量測到一個很小的力，這種力——稱之為凱西米爾力，可直接歸因於板子間電磁場的零點能量變化所造成。

凱西米爾效應一開始被視作不易偵測，因為它的效應只能在極小距離被看到，然而此效應在奈米科技的重要性逐日增加。不僅是特殊設計的奈米尺度裝置可輕易又精準地測量到凱西米爾效應，在微小裝置的設計以及製程中，此一效應的影響也逐漸需要被考慮進去，以其會對奈米裝置施加不小的力及應力，使得裝置被彎折、扭轉、相黏和斷裂。

其他的實驗證據包括有原子或核子的光（光子）自發放射(spontaneous emission)、原子能階的蘭姆位移(Lamb shift)、電子旋磁比(gyromagnetic ratio)的異常值(anomalous value)等等

在物理宇宙學中，零點能量對於臆測為正值的宇宙常數提供了有意思的課題。簡單說，若此能量真的存在，則其應當會施以重力。在廣義相對論中，質量與能量等價；任何一者都會產生重力場。

這種關係聯結其中一個最明顯的困難是真空的零點能量是大得荒謬。天真地說，它是無限大的。不過可以辯稱說：普朗克尺度下的新物理會讓它在那樣的尺度下有個截止點(cut-off)。即便如此，仍會有相當大的零點能量使得時空有明顯的彎曲，而與現實相矛盾。對於此情形，至今沒有簡單的解決辦法，而將「理論上似乎相當大的空間零點能量」，以及「觀測到宇宙常數為零或很小」這兩個情形作調和，是理論物理學中的重要問題之一，而這也變為對於萬有理論候選者評比的一項標準。

另一個零點能量研究領域是在於如何用它來產生推進。美國國家航空暨太空總署(NASA)與英國航太公司(British Aerospace)兩個單位都有相關研究計畫，不過要做出可用的技術仍有相當遙遠的路要走。要在此領域中取得任何的成功，就必須能做到對量子真空製造出斥力效應(repulsive effect)；根據理論是可能的，而製造以及測量出這樣效應的實驗規劃在未來要進行。

Rueda、Haisch及Puthoff三人提出了一個加速中的質量體會與零點場交互作用，製造出一種電磁阻滯力(electromagnetic drag force)，而產生了「慣性」此一現象；細節參見隨機電動力學(stochastic electrodynamics)。

凱西米爾效應使得零點能量成為一個沒有爭議、且科學界普遍接受的現象。然而「零點能量」一詞卻已經與一些具有爭議性的領域牽扯上關係：設計與發明出所謂的「免費能量」裝置("free energy" devices)，概念上與過去永動機(perpetual motion machines)有某種程度上的相似，在發展的成功度也相類似。在外國有許多業餘愛好者投入研究，宣稱有一定成果，甚至有專門討論免費能量的網路論壇。這些人自創了一個字用來形容這類裝置，叫做OVERUNITY，是指某個裝置的輸出能量大於輸入能量。也有許多公司宣稱成功研發這類裝置。但是目前科學界似乎不接受這類發明與發現，這類公司也被批評為詐騙集團。

近年來科學家通過對兩個黑洞之間的閃爍光的觀察，發現在黑洞中心有巨大的能量流動。天文學家對可見光和短時標的X光的能量流動形式進行了觀察和分析，得出了一個重大結論：磁場對於黑洞吞噬物質具有重要作用。就像一支蠟燭燃燒發出的火焰，黑洞周邊發出的光並不穩定，它會發光，會濺射，也會閃爍。領導這次科學研究國際團隊的Poshak Gandhi指出，“黑洞發出的快速的閃爍光，在X光波長范圍內大量可見。

黑洞中心有巨大的能量流動

關於人體的能量，有簡易能量測定法，不須依靠貴重的儀器，徒手就可以直接而有效地測定出體內負能量的多寡與身體部位的健康程度，也可以用來測定任何物品的能量，並可簡易區分出該物品是正能量或負能量。這種方法也可以用來判斷水晶或粗鹽米內所吸附負能量的多寡，決定是否該將之淨化了。參考方法如下：

<1>測定身體部位的健康程度：欲測試身體某部位之健康程度時，先由任一手的拇指與食指相接合，結作一個OK的手勢，此時食指與拇指用力掐緊，請他人來試著拉開食指與拇指，以此被拉開的難易度當作對照標準，然後另一手的食指指著自己欲測的部位，而原先那一手仍結成一個OK的手勢，此時食指與拇指再用力掐緊，請他人再來試著拉開食指與拇指，比較容易拉開者表示該部位之能量較弱，也表示該部位較不健康，反之則較健康。（若想自行檢測，可在食指與拇指用力掐緊時，比較對照標準與另一手食指指著自己欲測部位的狀態，依所使出的力道大小來區別，較沒力道者表示該部位較不健康，反之則較健康。）

<2>測定物品的負能量：循上法，欲測試物品之能量前，先做個沒握物品的對照標準，然後一手握著想要測試的物品，另一手結作一個OK的手勢，此時食指與拇指用力掐緊，請他人來試著拉開食指與拇指，較易拉開者表示該物品含有負能量，反之則為正能量。可以取香菸與酒類來做實驗，證實它們含有負能量；可以取大悲咒水來做實驗，證實它是正能量的淨水。此外，有經驗者可依拉開手指的難易程度，判斷出該物品內所吸附負能量的多寡。（若想自行檢測，可在食指與拇指用力掐緊時，比較沒握物品的對照標準與另一手握著欲測物品的狀況，依所使出的力道大小來區別，較沒力道者表示表示該物品含有負能量，反之則為正能量。）

<3>測定體內是否有負能量：任一手結作一個OK的手勢，此時食指與拇指用力掐緊，請有經驗者來試著拉開食指與拇指，易拉開者表示被測試者當時體內存有較多的負能量，反之則體內的負能量較少。

另一種實用的方法是使用「水晶靈擺」，即以任一種線繫於水晶椎柱的底部，製成的可擺動之物體。測試前，先將水晶靈擺泡粗鹽水，淨化約十分鐘。當測試時，以食指與拇指捏住線的另一端，將水晶靈擺置於欲測定物品的上方，靜候靈擺的轉盪，若轉盪的方向是順時鐘方向，表示該物品是正能量的；反之則該物品是負能量的。

若想測定身體部位的健康程度時，將水晶靈擺置於欲測定部位的上方，靜候靈擺的轉盪，若轉盪的方向是逆時鐘方向，表示該部位之能量較弱，也表示該部位較不健康，反之則較健康。若想測定身體內是否有負能量時，將水晶靈擺置於被測試者的頭頂上方，靜候靈擺的轉盪，若轉盪的方向是逆時鐘方向，表示被測試者當時體內存有負能量，反之則體內沒有負能量。於測試當時，若逆時鐘方向的轉盪幅度很大，除了表示被測試者當時體內有大量的負能量外，可能還存有某程度的陰氣。