第四十五章  能量

应用能量的技术发展程度代表了人类科学发展水平。

地球上的植物在阳光的照耀下，吸收利用太阳光线的能量而生长，食草动物再依靠采食植物而生长。在陆地上如此，在海洋中也是一样。各种生命形式的动物与植物利用太阳辐射到地球上的能量而生长，世代绵延。倒下的植物，死去的动物，被掩埋到地层之下，经过了亿万年变成了煤、石油与天然气。太阳辐射到地球的能量以这样的方式在地球上积累下来。

燃烧是积累的太阳能的释放。

火的使用是人类从动物世界走出来的里程碑，当开始学会使用、保存并产生火的时候，人与动物有了本质的区别。最初的人类看到山林中与草原上自燃的火，开始是惊骇与恐惧。随着智力的提高，人类发现了火的用处。产生火的燃料最早是自然环境里的柴草，后来人们发现了煤、石油和天然气。人类有意识地利用火的技能逐渐娴熟，不但利用地面上的植物作为燃料，而且将地下的煤、石油与天然气开发出来加以利用。

太阳能在植物体内以分子形式累积与转化，当燃烧进行的时候，分子形式发生另一个方向的改变，分子领域内的变化称为化学变化，物质燃烧释放的能量都是化学能。

食草动物以植物作为食物，这些植物物质在动物体内转化，成为构成动物身体的物质，一部分为动物的身体提供能量。在动物体内进行的能量转化是一个复杂的化学过程，能量的产生与燃烧过程本质相同。然而，从外在的形式来看，生物体表现出来的能量被称为生物能。人的劳动与动物的四处行走，都是生物能的释放。

人类在学会用火之后，最早利用的自然界的力量就是畜力。当人们开始驯化畜养动物，用它们来驮拉重物，骑在它们的背上远行的时候起，畜力开始为人们所利用。但是，这只不过表明了人的智力高于动物，可以役使动物而已。人力和畜力都是自然造成的生物的力量，这些不同生物的力量联合起来，使人的生命的力量向着复杂的方向发展。

在人类开始发明机械的时候，所使用的动力都是人力或者畜力的生物能。后来，人们发展了利用风力与水力驱动机械的技术，风力与水力都是空气与水流动所具有的自然能。

随着人类利用的能量形式的种类增多，人类的力量也在增强。

当火与水相结合，发生能量形式转换，化学能在蒸汽机的运动中转变为机械能的时候，人类的思维由简单变为复杂。在往复运动的机械中人类获得了极大的力量，人类开始进入了一个新的世界。

按照历史学家的说法，在希腊化时期，埃及人就已经知道利用蒸汽作为动力来启闭庙宇的大门^①。这种技术也传到了英国，用来从矿井中抽水。后来，瓦特改进了这种机械，使之自动往复，成为蒸汽机，用于纺织业作为动力。蒸汽机成为近代工业革命的象征。

蒸汽机以水作为化学能到机械能的能量转化媒质。当人们发明了内燃机之后，在燃烧室内化学能直接转化为机械运动的力量。在铁路上，蒸汽机车为内燃机车所代替。在公路上，人们也有史以来有了畜力以外的机械代步。内燃机的便利与小巧，使各种载重与作业车辆大行其道，也使道路上为载人运输车辆所堵塞。人类不但在陆地上行驶，在水面上与水下航行，内燃机以及之后的喷气发动机，使人类在天空飞行。结合简单原理与复杂技术的火箭的发明，给人类提供了最强大但是瞬间的动力，使人类进入了外太空。

机械加化学能的释放改变了人类的生活。新的能量形式——电能，给人们的生活带来的则是翻天覆地的变化。电学的研究使人类掌握了能量传输的手段，机械能转化成为电能，传输到需要的地方，然后再转换成为机械能，使得工业得面貌彻底改观。在新的时代，电力成为工业的基础。

燃烧的火焰有一种神秘，因为它瞬间的存在。古代希腊人认为火是一种元素，就像水也是一种元素一样。现代科学的发展使人们认识到，水与火都不是元素。水是氢与氧两种元素的化合物，是一种稳定状态的物质，而火焰只是一种瞬间的物质状态。古代希腊人将这样一种恒定的物质和一种变化过程中的物质都归为元素，可能因为它们两者都是活泼而流动的。

积累的太阳能在燃烧过程中释放出来，转化成为机械能，或者只是加热其它的物体，传递热量。燃烧产生的一部分热量通过光和其它形式的电磁辐射的方式将能量传递给周围的物体，同时通过分子热运动的方式将一部分的能量传播到周围空间。

热运动是物质原子和分子动能的宏观表现，热或冷的物体接触到人的皮肤使人感到不同的温度。人们感官察觉的温度便是物质原子和分子的微观运动的表现，人们虽然不能直接观察物质原子与分子的微观运动，但是通过温度计等不同的仪器仪表，人们可以测量物体的温度，由温度得到它所表示的物质的微观运动的剧烈程度。

在现代科学发展早期，人们把热想象成为一种流体，在物质的质点间流动，可感知而不能精确描述。当现代原子学说建立之后，热的本质才得以阐明。

在现代电力与电子科学理论建立之前，人们用理解热的方式来理解电。在原子理论建立之后，电有了比热更明确的图像。热是物体质点的振动，热流是物质质点微观运动的传递。而电的图像更明确，电是最小的物质质点电子的流动。

宏观的机械运动是直观的，在概念上易于把握。即使广阔宇宙中的天体运动在概念上也是一种机械运动，易于作图像化的想象。微观世界物质的构成则较难以形象化，热与电的情况就是如此。随着科学理论的逐渐完善，微观世界的图景才逐渐清晰起来，有了形象化的图像。在宇宙层次上，理念是科学发展的主导力量。到了微观世界，概念的建立与分析成为科学进步的手段。

各种科学学科的建立是一个不断修正与不断完善的过程。随着各门类科学学科的建立与明晰，物质现象的原理被组织在各个学科理论之中，科学有了自身独立存在的基础。

在科学的发展过程中，不断修正与不断完善的过程导致了发展与进步的理念。现代科学的演绎推理模式导致真理概念的产生与强化，宗教与上帝作为引领科学发展的心智力量的作用逐渐减弱，转而隐没在科学真理之后。

与自然科学的发展过程相伴随，真理观念延伸到社会科学，产生了对社会科学的研究与改造动力。在工业革命的经济基础之上，自然科学作为纽带，既与工业革命相互促进，又与社会革命相互促进，以欧洲为发源地的西方社会剧然改观。

对微观世界的研究，物质的电特性研究使人类进入了一个新世界。电磁科学的发展与电力技术的发展使人们掌握了方便的传输能量的方法，使得工业有了方便的动力，以电学为基础的技术加速发展起来。

①《全球通史》，斯塔夫利阿诺斯，董书慧等译，上海辞书出版社，2006年7月第一版。