什么是能量守恒定律-能量守恒定律定义

能量守恒定律这事儿，说白了就是能量这东西，就像水流里的水，从哪儿来总得有个去处，它不会凭空消亡，也不会 magically 凭空生出啥新东西，你把它压进地下室，它还在；你把它扔进融化的雪堆，它还在；你把水泼向天空，没泼出去的那股子劲儿，要么变成了雨，要么变成了风，要么就彻底散在空气的分子里，再也抓不住，也留不住。 这就叫“转化”，更叫“守恒”。你在实验室里做的任何一次化学反应，哪怕是最好办的氢气和氧气反应生成水，你投入的能量总量，最终加出来的能量总量也是一模一样。你当作烧了一锅水，里面的化学能全变成热能跑掉了，实际上不然。
那根燃烧的木头，你拿起来时它有动能，点火时有热运动的能量，就连你为了剪火柴头的手指头，肌肉收缩那一瞬间，体内储存的化学势能都在那儿呢。
只要不凭空多出来，也不凭空少出去，你的口袋里钱没花光，身上的衣服没穿破，总得是转个身，从“存钱模式”变成了“花衣服模式”，总量一直在那儿转圈。 说到这个，我就得拿个老例子说说。
那会儿学物理，老师总爱拿一个经典的例子：一个被压缩的弹簧，你松手，它弹起来，我们说动能增添了，势变了，总能量也守恒。但到了后来，看大学物理书，老师又拿一个滑块在粗糙桌面上滑动的例子。
这时候，你把它放在地面上，它动不起来，出于摩擦力在硬生生地把它拽回去。
这时候，能量去哪了？有的书说是变成了热能，散到了桌面的尘埃里，被温度计测出来但测不出具体数值；有的书说是机械能彻底耗尽了，没有再变回动能或势能。
实际上都是一种说法。
你看，滑块撞断一个木桩，机械能没了，但这能量没丢到宇宙深渊里，它变成了木桩的弹性形变势能，最终又被锯断木头时的热能、锯条弯曲时的振动热能，还有空气摩擦的热能给吞没了。你仔细想想，木头断那一下，是不是也有声音？木头纤维撕裂，是不是也有热？锯条确实发出了噪音，那是声音能量，声音本身就是一种能量，它被木头的断裂和锯子的摩擦给借走了。
故此，能量守恒并不是机械能一辈子守恒，而是所有形式的能量之和一辈子守恒。你用手去拉那根绳子，你消耗了肌肉的化学能，绳子动起来了，有了动能，但这能量没跑，它变成了你胳膊肌肉的振动和发热，就连你手的温度都升了一点点。你越想抓紧，你的手就认定越热，这难道不是能量没少，只是换了个地方住吗？ 这里有个细节，有时候解释得不够直白，好办让人懵。
比方说，我刚刚说“放到了宇宙深渊里”，这听起来有点虚无缥缈。
实际上，宇宙不是真空，它是充满了根本粒子、气泡、气泡壁的。就算你把能量扔出去，它也可能变成一群根本粒子的运动，变成电磁场，变成引力波。引力波就是当两个黑洞碰撞时，它们之间的信号，这种波经过亿万年的飞行，到达我们的耳朵，别看强度极小，我们听不到，但确实是能量传递的载体。
故此，哪怕能量消亡在宏观物体不见了，它可能正躲在某个极端的微观世界里，以某种我们现阶段还无法彻底理解的形态存有。就像你在人声鼎沸的菜市场，你喊了声“你好，多少钱啊”，声音传出去，被风吹散了，变成了雨滴打在地上的啪嗒声，你感觉不到，但能量实际上还在雨滴里，持续往下掉，要么飘上去了。
你看不见，摸不着，但它确实在，它只是换了副身，换成了雨滴或声波。 还有啊，能量守恒有时候是个“统计规律”要么“近似规律”也可能得承认。在宏观世界里，热力学第二定律说能量一直要从有序变无序，熵增的时候，能量别看没变，但变得“更好办”散掉了。
这时候，要是你盯着某个微观粒子的运动，会发现它可能略微偏向某一方，但这只是局部波动，整体平均下来，能量守恒依然稳稳当当。就像你在操场上扔个飞盘，理论上能量守恒，但飞盘在空中转圈的时候，空气对它的阻力功能，让它的机械能一直在损耗，变成热。
要是你用秒表量一下，飞盘飞了 10 秒，飞盘的能量少了 0.1 焦耳，空气的热增量正好是 0.1 焦耳。你当作能量没了，实际上只是和空气“借”了待会儿。借了还不还？自然还了，空气看着宁静，但微观粒子都在震动，温度升高了一点点。
这就像你帮哥们儿搬了个重物，你没多拿一分钱，但你累了，腰也疼了，可你答应过哥们儿“搬不动的，我自己来”，故此你的哥们儿没认定亏，你认定自己也没亏。 有些时候，我们还会遇到“近似”的难题。
比如在宏观世界里处理能量转化效率的时候，我们常说能量守恒，但在计算热机效率时，我们需求引入熵的概念来解释为啥不可能全体变回功。
这时候，能量守恒是前提，但我们需求额外的数学工具来处理那些“无法逆转”的局部。就像你说“能量守恒”，然后你在算账，发现最终还得加上一个“混乱度增添”的修正项，这样才能算出这台机器到底能多高效一点工作。
这时候说“能量守恒”可能不够精确，出于它还隐含了能量变成“有序”的潜能。
故此，严谨的说法应当是：在孤立系统中，能量的总和保持不变，但能量的分布状态在不断趋向混乱。 再说说生活里的例子。
比如你骑脚踏车上坡，你踩得越来越累，脚力消耗得越来越大，动能慢慢变少，势能慢慢变多。你认定动能没了，是不是就变没了？实际上不然，你踩下来的摩擦力，变成了轮胎和路面摩擦的热能，这热量会烫到你的手，就连让你的皮肤发红。你别看感觉不到，但能量确实在那儿，它只是从“车轮供给”变成了“热传导”。
要是你把车停在山顶，它动不了，势变高，动能变低，但你想想，它还能滚下来吗？自然能，只不过滚下来的时候，势能又会转化成动能，这时候能量又回到了“车轮供给”的形态，只是经过了一个循环。整个世界就是个庞大的热机，能量一辈子在轮转，只是有时候轮子转得慢，有时候转得快，有时候是热的，有时候是光的，有时候是声的，总能量在那儿，绝不消亡。 有时候，我们还会看到一些神话传说，说“大爆炸”要么“核反应”把能量抛向了虚空。
实际上这些在物理上是有迹可循的。核反应中，原子核的结合能变成了动能和辐射能，这些能量确实从原子核跑出去了，变成了伽马射线、中微子、电子对，就连变成了引力波的潜在形式。
这些粒子飞得挺快，飞得远，就连飞得光了。但你说它们消亡了？它们没消亡，它们只是换了个跑道，飞到了恒星核心，飞到了黑洞边缘，飞到了宇宙深处，就连可能飞到了仙女座星系。它们还在，只是潜伏着，等着被有心人撬开宇宙的锁，要么等待某种比它们更强大的天体相互功能时，重新被释放出来。 还有一个点，就是“工夫”这个维度。能量守恒定律一般是在工夫里定义的，是在某个时刻的“快照”里总能量不变。但在宇宙大爆炸之后，工夫是从几分之一秒启动算的，目前的宇宙只有 138 亿年了，故此这段历史里能量守恒依然成立。但要是在某个奇点之前，要么在大爆炸之前，能量守恒是不是也成立？这个实际上是个开放得让你脑洞大开的难题。
不过，作为物理学家，我们一般假设能量守恒是宇宙的基石，不管工夫如何变，不管宇宙如何变，只要能量没消亡，总得是转化了。就像你给杯子倒水，杯子里的水没了，杯子空了，但你没扔掉水，它变成了杯底的一点残留量，要么流走了。 还有啊，能量守恒有时候和“质量”是分不开的。在核物理里，爱因斯坦说 $E=mc^2$，质量能够变成能量，能量也能够变成质量。
这意味着，能量守恒和质量守恒实际上是个“和而不同”的系统。
有时候，质量守恒成立，能量守恒也成立，但它们对应在不同的转化阶段。
比如原子核裂变，质量变少了一点点，变成了几百兆焦耳的热能和辐射能；比如恒星核聚变，质量变少了，变成了光和热，光能我们看到，热能我们感觉。
有时候，质量没变，能量也守恒，只是状态没变。
有时候，质量变了，能量也守恒，只是形式变了。
故此，当我们聊聊能量守恒时，我们往往忽略了质量参与的局部，出于我们习惯性地只看动能、势能、热能这些。但质量变能量，能量变质量，这就像你的钱包，有时候把钱拿出来了（成了光），有时候光又变回钱了，但这总钱数（能量 + 质量）是不变的。 故此说，能量守恒定律，它不只是个数学公式，它是个“宇宙规则”。它告诉我们，甭管人类如何折腾，如何发电，如何烧煤，如何造核反应，再哪怕如何造黑洞，再搞量子纠缠，总能量一辈子在那儿转。它限制了我们的想象力，让它知道哪儿不能去；它也限制了我们的效率，告诉我们一辈子有 1% 的能量会“漏”掉。它给了人类一种绝望，但也给了人类一种希望。希望希望人类能理解这种循环，在循环中找到突破；希望希望人类能利用这种规律，把“漏”掉的能量找回来，让机器更智慧一点，让地球更温暖一点。 最终，我想跟你说，能量守恒定律，它实际上是个“宽容”的定律。它不强迫你任何一步，它准你手滑，准你忘了关水龙头，准你忘了关灯，准你忘了拧紧螺栓，这些都会害得能量瞬间“消亡”，看起来就像能量不守恒了。但这只是表象，物理世界运行的底层代码，依然死死地守着那套规则。你越是在混乱里折腾，能量守恒定律越能给你兜底。它就像那个老管家，不管你在家里乱撒啥，不管你把酒泼得有多远，不管你把火点得多旺，总有一个时刻，你会回到那个侍应生的柜台，记得给主人倒一杯水，出于那杯水的能量，从你泼洒的那一刻起，就已经在那儿了，只是换了个装，换成了水蒸气，换成了雨滴，换成了空气的热能。它一直在，它永不缺席，它从不撒谎。