"萬物的存在、運(yùn)動與變化 ,都可以用能量來量度。"
在這組文章之二中，說到了能量的定義，能量的各種形式，以及人們認(rèn)識能量及能量守恒定律的歷史概要，這篇文章要從更深的層面上對能量作一些分析。
01? 又說能量
能量，據(jù)說在300多年前，在人類的文明中還沒有這個詞匯，到了16世紀(jì)西方有一個叫錫德尼詩人，在他的作品中首次出現(xiàn)了這個詞匯，估計(jì)這個詞匯并不與物理學(xué)有多大的關(guān)系，因?yàn)樵撛~匯的出現(xiàn)一個多世紀(jì)后牛頓理論才問世，而牛頓的著作中沒有能量。
18世紀(jì)雖然許多物理學(xué)家已涉及了各種形式的能量，但也沒有明確提出能量這一詞匯。首先在科學(xué)的領(lǐng)域里提出了能量這個詞匯的是英國物理學(xué)家托馬斯·楊。在19世紀(jì)初，他把質(zhì)量與速度平方的乘積說成了能量（與牛頓同時代的萊布尼茨稱作活力，見這組文章《之二》）。到1843年哈密頓建立他的理論時，能量概念仍然沒有出現(xiàn)。這個概念被物理學(xué)“捕獲”，可以考證的是1851年，開爾文在他的著作中闡述熱一定律時，首次明確提出能量這個名字，并宣稱與能量相關(guān)的規(guī)律應(yīng)當(dāng)是物理學(xué)中“第一法則”。
能量，是地球上一切生物都不能須臾離開的東西，而這東西全部都來自太陽。地球表面每平方米每秒接受的太陽能量平均約為103焦耳。我們生活中的每時每刻都在與能量打交道。你坐在這里讀這本書，你的體表要向外擴(kuò)散熱能，你的腦子進(jìn)行思考、眼睛注視著頁面，這都要消耗能量。人能運(yùn)動，能工作，正如《之二》中提到的德國化學(xué)家李比希說的那樣，這是我們吃進(jìn)的食物提供的能量，一個大饅頭提供約103千焦的能量。像我這樣一位70千克的人，睡眠中每秒消耗約60焦耳的能量；坐著在這里寫作每秒約要消耗80焦耳的能量；散步每秒要消耗250焦耳的能量。人的心臟是一個“既敬業(yè)又勤勞”的器官，每晝夜搏動約10萬次，每次搏動約消耗1焦耳的能量，一只饅頭的能量供它一晝夜消耗還綽綽有余。
能量，無論是在相對或絕對的意義上，這一概念都具有極大的普遍性，它的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了物理學(xué)的范疇，已經(jīng)覆蓋到所有的自然科學(xué)領(lǐng)域。科學(xué)概念的力量在于它能解釋和統(tǒng)一種種自然現(xiàn)象的能力，在這方面，能量概念也許是獨(dú)一無二的。
科學(xué)包含著不同的科目，不同科目也會具有不同的原理，但是關(guān)于能量的原理似乎在各種情況下都是不變的，都是正確的。無論是我們仰視宇宙的無邊疆域，還是俯察亞原子微小領(lǐng)地；無論是天空飛行的飛機(jī)，還是地面上奔跑的汽車；無論我們煮一碗飯，還是點(diǎn)一盞燈。能量定律都能適用。能量被證明是人類生活所有領(lǐng)域中具有最重要意義的概念，還是一個仍然在不斷的認(rèn)識、探索之中的一個概念。
02 對能量定義的分析
關(guān)于對能量的定義，教科書中約有以下幾種說法。
“能量是用做功來量度的物質(zhì)性質(zhì)”；“能量是物質(zhì)的一種屬性，可用做功來量度”；“能量是物體對外做功能力的量度”；“能量是系統(tǒng)做功的本領(lǐng)，一個系統(tǒng)的能量，就是這個系統(tǒng)能做功的數(shù)量”。
如果對這些說法作一個歸納，應(yīng)當(dāng)是這樣的：能量是物質(zhì)系統(tǒng)（一個物體，或多個物體的組合）的一種屬性；這個屬性是指物質(zhì)系統(tǒng)都具有做功的本領(lǐng)或曰能力；這個屬性還可以用做功的數(shù)量進(jìn)行量度，即可以用能做多少功的數(shù)量來量度系統(tǒng)的這種本領(lǐng)大小。
關(guān)于能量的這個定義，可以做以下幾點(diǎn)說明。
第一，任一物質(zhì)系統(tǒng)都具有能量。
能量既然是物質(zhì)系統(tǒng)的普遍存在的屬性，那就是說，任一物質(zhì)系統(tǒng)都有能量，都具有做功的本領(lǐng)。
第二，是系統(tǒng)的一種“本領(lǐng)”或“能力”。
能量既然是系統(tǒng)的做功本領(lǐng)，是系統(tǒng)的一種“能力”。“能力”有大小，但沒有形狀和顏色，更沒有溫度與質(zhì)感，是一種非物質(zhì)的存在形式。
第三，物質(zhì)系統(tǒng)是能量的載體。
既然能量是系統(tǒng)的一種“本領(lǐng)”或“能力”，那它一定是屬于這個系統(tǒng)的，是附屬于系統(tǒng)的一種存在。這就像一個人的能力，是依附于這個具體的人而存在的，人是能力的載體一樣。
第四，能量會傳輸與轉(zhuǎn)移，但不會丟失。
按定義，能量是物體做功的本領(lǐng)，本領(lǐng)的大小可以用做功的多少來量度。比如，A（一個人）推動B（一本書），使B動起來，A具有做功的本領(lǐng)（能推動書），但要消耗了能量（化學(xué)能），即消耗這種做功的本領(lǐng)，而B獲得了能量（動能），即B獲得這種做功的本領(lǐng)。這里的“本領(lǐng)”可以傳輸（從A到B），還可以有不同形式的轉(zhuǎn)換（在這里是化學(xué)能到機(jī)械能），但不會丟失，顯然，這里的本領(lǐng)與我們通常理解的“本領(lǐng)”或“能力”并不完全一樣，而更合適的詞匯卻沒有。
第五，某物質(zhì)對象所具有能量，是它能做多少功，而不是它做了多少功。
某物質(zhì)對象的做功能力與能做多少功是兩碼事，有能量不一定能做功。地球上的海水存儲了巨大的能量，但沒有一個低溫的冷源，無法實(shí)現(xiàn)熱量的流動而做功，而建立低溫冷源目前還是一個得不償失的難題。由此可見，利用能量做功是有一定的條件的，有時這個條件還無法實(shí)現(xiàn)，因此永遠(yuǎn)也不能做功。這就像有人有一張銀行卡，上面具有的款項(xiàng)就是這張卡的“能量”；能做多少功，就是用這張卡去消費(fèi)，消費(fèi)了多少，卡上刷去了多少現(xiàn)金——這才是做了多少功。而消費(fèi)是要有一定外部條件的，在千里大漠，在原始森林，沒有可消費(fèi)的地方，這張銀行卡雖然有“能量”，但也不能“做功”。
第六，麥克斯韋妖一定要消耗能量。
前文中說，麥克斯韋妖在操作的過程中，因?yàn)闆]有接觸系統(tǒng)中的任何成員（分子），因此小妖沒有對容器內(nèi)分子做功，該系統(tǒng)的能量不會有變化，小妖似乎就不用消耗能量。
我們來考察小妖的工作，雖然它沒有對任一分子做功，但它不停地開關(guān)閥門，總在使閥門不斷地從靜止到運(yùn)動，又從運(yùn)動到靜止，而閥門一定是有質(zhì)量的，它不斷獲得機(jī)械能，必須有小妖給予它能量，因此，小妖是一定要消耗能量的。
另外，它要準(zhǔn)確、適時地開關(guān)閥門，使閥門總在運(yùn)動變化中；它還必須獲得每個分子運(yùn)動的信息來決定自己的操作行為，這也要消耗能量。小妖要消耗能量就必須先存儲能量，而能量是要以物質(zhì)作為載體的，可見，在物理世界中小妖必須是物質(zhì)的，可以存儲能量、可以觸摸、有質(zhì)感的一個妖精，它在工作中必然會不斷地消耗能量。
03? 關(guān)于 E = mC^2
愛因斯坦對20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展有著重要的作用和影響，而其主要的成就是建立了狹義相對論和廣義相對論。
在狹義相對論中，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一個重要公式：E = mC^2。這個公式是對能量認(rèn)識的一個重大的突破，表述了大自然一個最基本的關(guān)系。公式的基本含義是：任何物體的總質(zhì)量等于該物體的總能量除以C^2，由于能量是做功的本領(lǐng)，公式的實(shí)際上還指出任何質(zhì)量為m的物體，應(yīng)當(dāng)能做 mC^2的功。任何一個物質(zhì)系統(tǒng)，質(zhì)量是它存在的標(biāo)志，因此正如上面所說的，任何物質(zhì)系統(tǒng)都有做功的本領(lǐng)，是物質(zhì)系統(tǒng)本身就具有的基本屬性。
愛因斯坦還有這樣的看法：一個物體的質(zhì)量全部都是由不同形式的能量形成的，比如電能、引力能和核能等，質(zhì)量就是被鎖在物質(zhì)內(nèi)的能量，是一種潛在的貯藏的能量，可在恰當(dāng)?shù)臈l件下釋放出來；不僅一切質(zhì)量有能量，而且一切能量也都有質(zhì)量，能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等當(dāng)?shù)模峭环N東西。
若在我們面前放著一張紙，或一支筆，總是要由一定的“量”來表征它們的存在，那就是它們的質(zhì)量，即它們含有多少個分子、原子，這些分子、原子，都是能量的果實(shí)，是被鎖住了的能量，因此，有了質(zhì)量也就有了能量，或者說能量就是物質(zhì)，物質(zhì)就是能量。
在這個公式中，因?yàn)镃值很大，它的平方就是一個更大的數(shù)。由此，即便一個物體獲得很大的能量，也只能增加了很小的質(zhì)量，或者反過來，一點(diǎn)很小的質(zhì)量就可釋放出很大的能量。比如，你把一噸重的一塊大石頭，提高100米，勢能增大了，質(zhì)量也增大了，質(zhì)量的增加為△m = △E /C^2 ，約10-5毫克，只增加了一粒塵埃的千分之一那么點(diǎn)兒質(zhì)量。
又比如，在核裂變的反應(yīng)中，反應(yīng)后能生成大量的能量而損失質(zhì)量卻不多。1千克的鈾發(fā)生裂變，其質(zhì)量損失約為1%，即10克左右。約能產(chǎn)生9×1014焦耳的能量。我國人口14億，若每人的平均體重為50公斤，則可以將這么多人一齊提升到1300米的高度。這個能量顯然驚人。
在高能物理實(shí)驗(yàn)室中，這一公式被無數(shù)次證明，是一個正確的公式。
我們知道，構(gòu)成通常的實(shí)物是質(zhì)子、中子和電子，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另外三種對應(yīng)的實(shí)物粒子，分別叫做反質(zhì)子、反中子和反電子（正電子）。如果把一個反粒子帶到它對應(yīng)的粒子附近，兩個實(shí)物粒子就會完全消失而產(chǎn)生高能輻射。實(shí)驗(yàn)表明，任何質(zhì)子、中子和電子都可以通過這種方式湮沒，而轉(zhuǎn)化為高能輻射，測量高能輻射的能量，就等于這對粒子的質(zhì)量之和乘以C的平方。
在廣義相對論中，愛因斯坦提出了更加驚人的關(guān)于質(zhì)量-能量的看法。
他說一個物體的質(zhì)量會使其周圍的時空發(fā)生變形。對于質(zhì)量小的物體，這種變形非常微小，以致不能被觀測出來，而對于質(zhì)量巨大的天體因?yàn)橹車袕?qiáng)大的引力場，空間會發(fā)生畸變。質(zhì)量大的物體，其周圍空間的引力強(qiáng)，時空密度就顯得大，在這里，鐘走得慢了，尺子也變短了。因此，根據(jù)這個理論，時空的形狀是由質(zhì)量來決定的，而質(zhì)量是由能量形成的，因此也可以說是能量的分布決定了周圍時空的形狀。
對于地球上熟悉的現(xiàn)象，如物體的下落，子彈的飛行等，廣義相對論與牛頓理論預(yù)言近乎全同，但是理論上的解釋卻有天壤之別。比如地球繞太陽運(yùn)動，牛頓理論認(rèn)為是引力，像是從太陽上“長出”了一根繩子系緊了地球，甩著地球繞太陽轉(zhuǎn)，這很直觀，也很形象，好理解；廣義相對論認(rèn)為這是太陽巨大的質(zhì)量形成的空間的彎曲，地球就是在這個彎曲的空間里運(yùn)行。
按愛因斯坦的說法，是不同形式的能量形成了質(zhì)量，因此時空彎曲根源還是能量，是能量造就了這個讓地球運(yùn)行的彎曲的空間。當(dāng)然不是說彎曲的空間就是地球繞太陽運(yùn)動的環(huán)形的圓圈，相反，這是一個異常復(fù)雜的誰也說不清楚（包括愛因斯坦本人）的三維彎曲的空間。
04? 淺說量子場
20世紀(jì)前二十幾年里，先是相對論出現(xiàn)了，后來又有了量子論。這兩個理論在兩個方面拓展了牛頓物理學(xué)：相對論將牛頓理論放到與光速（3×10^8米/秒）可比擬的高速世界中，這是宇宙中最快的速度；量子論將牛頓理論投入到原子、電子運(yùn)動的微觀的世界中。
然而，這兩個理論都有不足之處。相對論不能用來處理小尺度范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象，而量子力學(xué)在高速的情況下不適用。因此兩個理論都不能解釋小尺度區(qū)域中的高速現(xiàn)象。人們就想，能否把這兩個理論結(jié)合在一起，構(gòu)成一個新的理論，來處理一切空間尺度、一切速率范圍的物理現(xiàn)象呢？
答案是肯定的，這個理論在1930——1950年期間逐步建立起來，叫量子場論。
該理論有自己清晰的世界圖像：物質(zhì)世界存在的本原形式是各種場，比如引力場、電磁場、物質(zhì)場（物質(zhì)與能量本身及其形成的場，譬如天體及其天體萬有引力形成的場）等，這些場充滿了整個宇宙空間。自然界發(fā)生的每個件事都是這些場的運(yùn)動與相互作用的結(jié)果。這些場的量子化會生成微小能量包，稱作量子，亦即微觀世界的各種粒子，不同的粒子就是不同的場生成的。自然界的一切輻射粒子和實(shí)物粒子都是這些量子以及它們的組合。
量子場論可以畫出這樣一張“物質(zhì)構(gòu)成的階梯圖”來：宏觀物質(zhì) → 分子 → 原子 →原子核 →核子（質(zhì)子、中子）→夸克、電子→場。這里的夸克和電子，可認(rèn)為是構(gòu)成宇宙萬物的最小磚塊，它們來源于場的相互作用而生成的粒子。
實(shí)驗(yàn)告訴我們，質(zhì)子與中子是由三個夸克構(gòu)成的。由E = mc^2，計(jì)算表明，質(zhì)子與中子的質(zhì)量90%來自這些粒子內(nèi)部的夸克強(qiáng)作用力場的能量。由于尋常物質(zhì)的質(zhì)量的99%來自質(zhì)子和中子，這就是說，尋常物質(zhì)的大約90%的質(zhì)量來自夸克之間強(qiáng)大的非實(shí)物的場，而其余10%來自于充滿整個宇宙中希格斯場，這個場會與實(shí)物粒子（夸克、電子等）發(fā)生相互作用，其能量就是剩余的10%的質(zhì)量的來源。這就是今天人們對于宇宙間萬物質(zhì)量起源的終極解釋。總之，一切質(zhì)量都來源于場的能量。
上面提到的希格斯場，下面作一點(diǎn)解釋。
希格斯場是英國物理學(xué)家希格斯于1964年提出的一個想法，這個場與別的場一樣，也必然存在這個場相對應(yīng)的能量子——希格斯粒子。這一粒子長期以來成了物理學(xué)家理論上假設(shè)的一種基本粒子，著名美國粒子物理學(xué)家萊德曼（1988年諾貝爾獎得主）稱這種粒子為“上帝的粒子”，是“指揮著宇宙交響曲的粒子”， 現(xiàn)已成為整個粒子物理學(xué)的研究的中心，可見這種粒子的重要性。 2011年12月13日，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)偵測到有希格斯粒子出沒的跡象。到2012年7月31日，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，發(fā)表的論文詳細(xì)地描述了新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子衰變的過程。2013年諾貝爾物理獎發(fā)給了與這項(xiàng)研究相關(guān)英國理論物理學(xué)家希格斯等兩人。
關(guān)于希格斯粒子還有一段趣聞，早在2000年，斯蒂芬·霍金與美國物理學(xué)家凱恩打賭，霍金認(rèn)為希格斯粒子不可能存在。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，霍金輸了100美元，而希格斯本人從提出到發(fā)現(xiàn)足足等待了48年，才被世人發(fā)現(xiàn)與肯定。
如此說來，宇宙的本原是場，粒子只是由場的組合出現(xiàn)的次級現(xiàn)象。放在眼前桌子上的書，都只不過是波動的力場的一種組態(tài)，是場的一種“織物”。由于桌子中的電子力場排斥書本中的電子力場，使得書不會從桌子的場——雖然是一種虛空——中掉下來。人的眼睛也是場的一種組態(tài)或曰堆砌，眼睛能看到桌上的書，是因?yàn)闀牧霭l(fā)出的電磁輻射與眼睛的場發(fā)生了作用，使你的眼睛看見了這本書。宇宙原貌不是由我們能觸摸到的實(shí)物來構(gòu)成的，一切實(shí)物都是由量子化的場“編織”出來的。
場是什么，場就是攜帶著一定能量的像煙一樣飄渺的虛空，宇宙的原貌就是虛空。莎士比亞戲劇《暴風(fēng)雨》第四幕的第一場中有這樣一句臺詞：“構(gòu)成我們的材料也是構(gòu)成夢幻的材料”，若用在這里似乎既形象又貼切，怪不得美國大物理學(xué)家惠勒說“也許莎士比亞比我們自己更理解這個宇宙！”
牛頓認(rèn)為虛空中運(yùn)動的不可摧毀的原子是構(gòu)成萬事萬物的磚塊；量子場論則認(rèn)為由相互作用與運(yùn)動的場才是一切實(shí)物包括原子在內(nèi)的基本存在，是萬物的根源。看來，原子構(gòu)成的物質(zhì)世界已經(jīng)過時，物理學(xué)對宇宙的看法變了：宇宙從堅(jiān)實(shí)的原子幻化成了飄渺的場；從粒子綿延成波，從一個點(diǎn)彌散成一個區(qū)域；各種場的組合才是我們感知到的實(shí)物，其質(zhì)量僅僅是由這些場的能量結(jié)出的果實(shí)。
05? 宇宙有多少能量
18世紀(jì)中葉，開爾文與他同時代的科學(xué)家根據(jù)能量守恒定律，提出了這樣一種看法，上帝將能量作為一份大禮賜予了人類，這份大禮是神圣的，既然是上帝送的禮，當(dāng)然與人類的任何活動無關(guān)，是一個恒定的量。
那么，宇宙間到底有多少能量呢？這是衡量上帝“慷慨”或“吝嗇”的一個指標(biāo)。
這份大禮的“量”究竟是多少，還得從現(xiàn)代物理學(xué)提出的宇宙如何出現(xiàn)說起。
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，所謂的真空不是不包含任何東西的空間，不是完全的虛無，而是存在著場。在這個場中，會有一定的幾率隨機(jī)地出現(xiàn)具有一份一份能量的小包。
美國高能物理學(xué)家古斯根據(jù)這些觀點(diǎn)，提出了他的“宇宙創(chuàng)始”說。這個假說也許是目前為止，對宇宙出現(xiàn)的最早時刻發(fā)生的詳細(xì)情形給出的一個最好的描述。這個假說這樣說，在真空中極小的亞微觀尺度上，發(fā)生了一次能量的量子漲落事件，出現(xiàn)了一個極小的但具有一定能量的小包。這樣的量子事件可能會由于相反的量子漲落，很快就消失掉，成為一個虛無事件，但還有另一種可能性，它非但沒有消失，反而會像一個氣球那樣突然“脹”起來，出現(xiàn)一個真實(shí)的有物質(zhì)存在的空間。
這是一個極小概率的事件，是一個奇跡。
宇宙就是從這樣的奇跡開始的，其詳情是這樣：在一真空區(qū)域中，根據(jù)量子理論的不確定原理，會偶然地出現(xiàn)一個能量小包——即量子，其直徑約為10^－35米，存在的時間約為10^－43秒，這個小包的能量圍繞著它的統(tǒng)計(jì)平均值隨機(jī)地出現(xiàn)不同尋常的漲落，漲落的能量大小約為109J，相當(dāng)于一只汽車油箱的汽油所具有的能量。根據(jù)E＝mC^2，這么多能量相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量是0.01mg，一顆塵埃的質(zhì)量。這聽起來不是很大的能量，但是塞在這么小的一個區(qū)域中，就會產(chǎn)生一個極高的大約10^32K溫度，如此高的溫度，這個小能量包就立即開始膨脹，宇宙大爆炸就開始了，在一個極短的時間內(nèi)，宇宙會經(jīng)歷一次極為猛烈的、短暫的、指數(shù)式的膨脹，稱作“暴脹”。暴脹結(jié)束后，宇宙還在膨脹著，直到我們現(xiàn)在這個樣子。
按愛因斯坦的公式，物體的質(zhì)量是與能量是成正比的，質(zhì)量越大，包含的能量也越大。然而，由于存在著質(zhì)量，物質(zhì)之間會出現(xiàn)了引力，質(zhì)量越大的物體之間引力也越大。物體間的引力會降低相互作用的物體的總能量，引力的作用對總能量的貢獻(xiàn)是負(fù)的，因此當(dāng)我們把星系之間，以及星系內(nèi)部的恒星之間的引力作用都加起來的話，那么原先按照質(zhì)量相加所得到的總能量就會大大地減小。如果質(zhì)量與引力的作用二者對能量正負(fù)效應(yīng)相等的話，那宇宙的總能量就是零。
古斯提出的理論也對宇宙間究竟有多少能量做出了解釋。理論首先指出了宇宙間為什么存在著這么多的物質(zhì)，粒子是從能量中創(chuàng)生出來，粒子具有正能量，而這些粒子的質(zhì)量產(chǎn)生的引力場具有負(fù)能量，從而宇宙的總能量趨近于零。在宇宙體積急劇加倍膨脹（稱作暴脹）的早期，可以制造粒子的總能量變得非常之大，以致于我們的宇宙現(xiàn)在大約擁有1億億億億億億億億億億（1后面跟80個零）個粒子。然而，隨著宇宙的膨脹出現(xiàn)的巨額負(fù)引力勢能，會始終保持著能量的收支平衡。天文學(xué)家們能夠測量出諸星系的質(zhì)量，星系間的平均距離，以及它們的退行速度，從而計(jì)算出宇宙的總能量。計(jì)算的結(jié)果是在可觀測的精度內(nèi)總能量的值確實(shí)為零。
“慷慨”的上帝饋贈給人類的能量“大禮包”原來是空的！
關(guān)于宇宙間的能量，還有一個新的情況。
1998年，天文觀察揭示著這樣一個事實(shí)：宇宙不僅在膨脹，而且這個膨脹是加速的。這不是人們預(yù)料的結(jié)果，如果因?yàn)榇蟊ㄓ钪嫦蛲馀蛎洠敲从捎诒ㄒ呀?jīng)過去了140億年，爆炸的余威應(yīng)當(dāng)越來越小了，膨脹應(yīng)當(dāng)減速；而且由于引力的持續(xù)作用，它是會阻礙宇宙繼續(xù)“發(fā)胖”的。那么宇宙為什么還會加速膨脹呢？是什么原因推動著這種加速膨脹呢？
科學(xué)家們推測，全部的空間甚至包括真空，必定存在某種新形式的非實(shí)物的能量，這些能量的存在把空間向外推，使得星系間的空間變大，星體之間的距離變大，科學(xué)家稱為“暗能量”，只有這種暗能量的存在，才形成了宇宙的這種膨脹形式。這代表了宇宙空間的一種性質(zhì)，即空間自身可以具有能量，這種能量的密度不因膨脹而降低，并且促使空間膨脹的速度越來越快。但問題是，宇宙空間為什么會有這樣的性質(zhì)，并具有能量呢？
這是一個令人驚訝的新概念，這個概念是1998年隨著發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的加速而提出來的。從觀察到證據(jù)表明它的存在是確定的，但它到底是個什么東西，至今還不清楚。目前物理學(xué)家和宇宙學(xué)家對于暗能量仍然是一無所知。這就使得“暗能量”不是物理學(xué)中的一個確切的“概念”，而是宇宙學(xué)中最為艱深的一道難題。
愛因斯坦說，一切形式的能量都有質(zhì)量，而質(zhì)量會影響空間的彎曲程度。科學(xué)家從宇宙背景輻射獲得的信息，能夠推斷出宇宙中暗能量的含量。把這個暗能量對應(yīng)的質(zhì)量，加到宇宙中的發(fā)光物質(zhì)、不發(fā)光的尋常物質(zhì)和暗物質(zhì)（亦稱“奇異暗物質(zhì)”，以與別的不發(fā)光成分如星際間的氣體、中微子和黑洞等相區(qū)別，而后面這些是由現(xiàn)在已知的物質(zhì)形式構(gòu)成的。它的發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橛^測發(fā)現(xiàn)恒星與氣體云環(huán)繞它們的星系中心公轉(zhuǎn)時，其速度是如此至高而會發(fā)生飛散，除非星系中心有比我們實(shí)際觀測到的多許多倍的物質(zhì)產(chǎn)生的引力，才能維持速度如此之高的公轉(zhuǎn)，這些未觀測到的大量物質(zhì)就是暗物質(zhì)）的質(zhì)量上，得出的總質(zhì)量正好是使宇宙的總體空間幾何形狀變得平直所需的質(zhì)量，于是，宇宙平直的性質(zhì)、宇宙的加速膨脹和暗能量這些東西的相互配合，一起就構(gòu)成了一幅出乎意料又與觀測相符的宇宙圖像。
然而，暗能量的出現(xiàn)為“宇宙是由什么構(gòu)成的”這個古老的問題提供了一個全新的答案。從對宇宙的膨脹和微波背景的觀測表明，宇宙主要是由暗能量構(gòu)成的！宇宙有73%是暗能量，23%是暗物質(zhì)，接近4%是不發(fā)光的“尋常”物質(zhì)（包括星系間的氣體、中微子和黑洞），只有0.4%（還不到1%的一半）就是我們能見到的那些東西。宇宙比我們能想象到的還要離奇，它的96%是我們完全不了解物質(zhì)和能量構(gòu)成的，剩下的4%中又大部分是不可見的，而可見的物質(zhì)，即我們通常以為的宇宙萬物——腳下的地球、地球上可見到的一切，月亮、太陽、銀河系、河外星系等等，只占有宇宙構(gòu)成的1%還不到！
如此看來，宇宙的主要部分對于我們還是一個謎，宇宙中全部能量的主要部分我們竟然一點(diǎn)也不知道是什么。
06 能量究竟是什么？
根據(jù)以上的論述，我們可以歸納一下，看看能量是什么。
用牛頓理論討論物體的機(jī)械運(yùn)動，定義了能量。說能量從屬于一個物質(zhì)系統(tǒng)，是這個系統(tǒng)的做功的能力，或者說，能量就是物體的做功本領(lǐng)。
在狹義相對論中，愛因斯坦說一物的能量等于其質(zhì)量乘以C2。由于能量是做功的本領(lǐng)，任何質(zhì)量為m的物體，就能做 mC2的功。愛因斯坦還說，不僅一切質(zhì)量有能量，而且一切能量也都有質(zhì)量，能量和質(zhì)量本質(zhì)上是等當(dāng)?shù)模峭环N東西。這就是說，能量就是質(zhì)量。
現(xiàn)代物理學(xué)又說，你看到的書，敲擊的鍵盤，踩的地，以至包括我們自己，都是攜帶著各種能量場的疊加結(jié)出的“果實(shí)”。這是說，宇宙間的萬物都是能量的疊加，而每一物都是鎖住的能量。
量子場論說，真空中的一個能量小包，就是一個微觀粒子，那么微觀粒子就是能量；引力場可以抵消物質(zhì)場的能量，就是說，“引力場”與“能量”也是同一類的物質(zhì)存在形式，引力場看不見、摸不著，又說是一種負(fù)能量，這里所說的能量又是什么？
古斯說一個真空中能量小包，可能會成為宇宙的一顆種子，導(dǎo)致了一個宇宙的出現(xiàn)，能量成了偌大宇宙的種子；又有物理學(xué)家說，今天宇宙的不斷膨脹，是因?yàn)橐环N“暗能量”在起作用，能量是宇宙不斷膨脹的原因；愛因斯坦說，能量決定著宇宙空間的形狀，也決定了宇宙間萬物的運(yùn)動軌道；不少科學(xué)家說，決定了萬物的運(yùn)動、變化、生長，是能量，決定著人類的命運(yùn)、決定了宇宙的明天也是能量。
從物質(zhì)世界看來，能量幾乎就是一切，那么，能量究竟又是什么呢？
如此看來，能量這個概念，隨著人們對物質(zhì)世界認(rèn)識的不斷深入，其內(nèi)含也在不斷地深入與豐富，至今，我們對這個概念的認(rèn)識，恐怕還不清楚。這正如大物理學(xué)家諾貝爾獎得主費(fèi)曼所說的那樣：“我們并不知道能量是什么，而在當(dāng)今物理學(xué)中認(rèn)識到這一點(diǎn)是非常重要的。”
07 能量是萬物的尺度
古希臘的哲學(xué)家普羅泰戈拉（約公元前481-約前441年）認(rèn)為人都是根據(jù)自己的感覺對事物做出判斷的：一陣風(fēng)刮過來，有人感到冷，有人感到不冷，人的不同感覺確定了風(fēng)的不同模樣，人的感覺就成了風(fēng)的“尺度”。 由此，他提出了一個著名命題“人是萬物的尺度”。強(qiáng)調(diào)人的作用和價(jià)值。因?yàn)樯癫荒鼙凰兄剑虼怂麑鹘y(tǒng)的宗教神學(xué)提出了質(zhì)疑：“至于神，我既不知道他們是否存在，也不知道他們像什么東西”。
事實(shí)上人們大都是從感知出發(fā)，從看到的、觸摸到的東西感悟這個世界，認(rèn)為世界是個什么樣子。詩人、文學(xué)家對山川河流的描述，也都是以他個人的感悟作為一把“尺子”，“量度”出這些物的“形與神”，只是“量度”得那樣繪聲繪色，久為后人傳頌而已。
科學(xué)當(dāng)然不全是這樣的，它認(rèn)識事物也是從感知開始，即所謂的觀察，但要結(jié)合慎密的思考，通常還要有實(shí)驗(yàn)這個中介，讓觀察與思考不斷地發(fā)生相互撞擊，從而找出規(guī)律。伽利略是這種科學(xué)方法的首倡者，他用這種方法否定了亞里士多德以直覺為主建立起來的物理學(xué)。因此，在科學(xué)領(lǐng)域里，感覺顯然不能作為度量萬物的尺度。
然而，在科學(xué)領(lǐng)域里，自然界為我們提供了一把尺子，現(xiàn)代物理學(xué)找到了這把尺子，那就是能量。某物的能力可以用能量來“量”，某物的運(yùn)動可以用能量來“度”。
宇宙也是可以用能量來量度的。
宇宙如何生成，為什么剛出生就暴脹，宇宙有多少凈能，宇宙空間是什么形狀，宇宙的空間為什么至今還在膨脹，宇宙的壽命有多長，宇宙間的萬物及其變化都可以由能量來量度，而且宇宙自身的演化也可由能量來確定。
盡管今天的物理學(xué)并不完全知道能量究竟是什么，但能量作為萬物的尺度是一個無可非議的結(jié)論，無論那一個概念都不能替代它的確定地位，是能量統(tǒng)一了全部物理學(xué)；能量的概念與定律有助于我們對物質(zhì)世界的任何過程的思考和把握，幫助我們弄清事實(shí)的真相；能量概念的出現(xiàn)，物理學(xué)才找到了自己的靈魂，人類才找到了量度自然界的一把尺子。
