作品簡介：能量是從何處而來的呢？本作品從人通過食物獲取能量切入，層層展開，給人們解釋了核聚變、質(zhì)能守恒、電磁輻射等奇妙的物理原理和現(xiàn)象。
高中時期，一位外班文科生朋友問了我這樣一個問題：“究其本源，能量是從何處而來的呢？”
這是個讓人頭疼的問題，因?yàn)檫@個世界上所有涉及到根本、源頭的自然科學(xué)或哲學(xué)命題都牽扯到了137億年前的宇宙起源——大爆炸。而大爆炸的發(fā)生，又是難以解釋的。
但是，為了解答能量來源，不妨從人說起，再反演到宇宙：
人通過食物攝入能量維系生存，食物有葷有素，葷指消費(fèi)者（第二營養(yǎng)級及以上的生物），大抵是各種肉類，雞鴨魚豬牛羊等，它們靠攝入其之下營養(yǎng)級——大多是植物（生產(chǎn)者）來生長發(fā)育和繁殖；而素者多指植物（生產(chǎn)者、第一營養(yǎng)級）。所以究其本源，我們?nèi)祟悢z取食物內(nèi)的能量都來自生產(chǎn)者所固定的能量，這一能量大多數(shù)情況下指的是植物通過光合作用固定的太陽能（至于植物通過光系統(tǒng)I、II和卡爾文循環(huán)進(jìn)行光合磷酸化和碳固定的機(jī)理，則又是一套生物學(xué)問題了）。
通過這一邏輯推斷，不難發(fā)現(xiàn)，我們地球上生命維持生存的能量幾乎全部來自太陽，只有少部分深海熱液口或火山湖的化能合成細(xì)菌利用的能量來自地球的地?zé)岷蜔o機(jī)物。
給他講到這里，這位小伙伴都能理解。
接下來，他發(fā)出了攝人心魂的問題：“那么，太陽的能量又是怎么來的？嗯，我是說，它為什么發(fā)亮呢？而那些能量又是怎么到地球的？”
哈，這個問題很不錯，我暗自想。但要想說清楚不容易，于是我只是一語帶過：“核聚變、質(zhì)能守恒、電磁輻射。這你該知道吧！”
此刻我沒仔細(xì)看他的表情，但他大概是懵逼的。
我意識到了這一點(diǎn)，于是計(jì)劃裝個逼把他徹底搞懵：“你要知道，質(zhì)量是個什么東西？它的本質(zhì)是什么？一個物體，你感受到了其的質(zhì)量，它似乎是具體存在的客觀事物，但是你能解釋質(zhì)量到底是什么嗎？”
他搖了搖頭，我覺得目的達(dá)到了。于是說：“質(zhì)量和能量本質(zhì)上是一樣的。世界上物質(zhì)只有兩類，一類是費(fèi)米子，一類是玻色子，費(fèi)米子包括六種輕子，六種夸克，它們組成了我們物質(zhì)世界的絕大多數(shù)我們看到摸到感受到的東西。
“而玻色子是一種媒介，負(fù)責(zé)在費(fèi)米子之間構(gòu)建聯(lián)系，而質(zhì)量則是通過叫希格斯玻色子的玻色子在費(fèi)米子之間不斷運(yùn)動、交換而體現(xiàn)出來的。如果希格斯玻色子你感到難以理解，那么說不定你能理解另一種叫做光子的玻色子，光子不斷運(yùn)動、交換體現(xiàn)出來的特性是光，或者叫電磁波，所有物質(zhì)都發(fā)散、反射電磁波。就像所有物質(zhì)都有質(zhì)量一樣。所以說質(zhì)量的本質(zhì)和光一樣，只不過光的作用體現(xiàn)起來尺度大，人們能看到能直觀認(rèn)識，質(zhì)量的作用體現(xiàn)起來尺度小，所以近幾年才研究明白?！?/p>
這仿佛是把問題復(fù)雜化了，但這不要緊，不妨試著從理解光，理解光子這個玻色子開始理解能量、質(zhì)量吧。
舉個例子，二人打架，一人用棍子擊中了另一個人的頭蓋骨。
微觀上看，棍子與另一個人的天靈蓋是沒有“接觸”的。只是棍上的原子/分子與人頭頂?shù)脑?分子發(fā)生了電磁相互作用。
我們都知道原子內(nèi)部十分空曠，原子核和整個原子比起來，像是乒乓球和整個足球場的大小比例。而在這個足球場（原子）里，飛散著許多比這乒乓球（原子核，由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子又各自由三個夸克組成，夸克則均屬費(fèi)米子）還要小的圓珠筆尖珠子大小的東西——電子（是一種輕子，輕子均屬費(fèi)米子）。
這些筆尖珠子大家都熟悉，電子帶電荷。所以當(dāng)原子之間距離極短時，各原子團(tuán)之間的電子之間會產(chǎn)生排斥力（原子/分子的電子云帶統(tǒng)一電性，均帶負(fù)電荷），同性相斥，異性相吸，這則是不變的古老原理了。
由于這些原子分子之間存在著這種斥力（電磁作用力），所以分子/原子之間、電子之間是沒有真正發(fā)生“碰撞”的，它們只是像兩塊磁鐵同極靠近時一樣，彼此彈開了。
所以說，生活中所謂的沖力、壓力、摩擦力，本質(zhì)上都和磁鐵之間的作用力一樣，都是電磁相互作用，只是尺度大小不同，都沒有發(fā)生真實(shí)的接觸。由此可見：你觸摸到的，并非真正觸及，只是感受到了它給你的那股電磁力罷了。
講到這里，離我們那位文科小伙伴想要的答案已經(jīng)不遠(yuǎn)了。只差一個環(huán)節(jié)需要填補(bǔ)，那就是電子之間怎么傳播能量的，電磁力為何存在？解決這個問題，就能知道太陽光這種一清二白不帶實(shí)體物質(zhì)的東西，為何具有能量了。
答案就埋藏在光子這個玻色子里。光子這個玻色子是專門對應(yīng)電磁相互作用的，就宛如之前對小伙伴提到的希格斯玻色子對應(yīng)了質(zhì)量。
通過初高中的學(xué)習(xí)，小伙伴們不論文理其實(shí)大多認(rèn)識了光的波粒二象性，光子的產(chǎn)生，從粒子性的角度去說，便是“能級躍遷”，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，所以離原子核不同遠(yuǎn)近的電子具備著不同的電勢能，對電子來說，原子核宛如是一個坑的底部，電子繞著坑壁的固定某一高度轉(zhuǎn)圈，是為一個電子軌道，如果此時電子受外力掉的更接近原子核了，那么它所帶的電勢能就相當(dāng)于減少了（此處僅僅是比喻，事實(shí)上由于原子核不像是引力那樣，所以不能用引力的那套動能和引力勢能作機(jī)械能守恒定律的能量轉(zhuǎn)化，電子圍繞原子核的運(yùn)轉(zhuǎn)更是無規(guī)則而混亂不堪的，不像是行星圍繞太陽一樣，電子軌道需要用薛定諤方程去闡述）。
那少的這部分能量去哪了呢？
量子論給出的答案是，通過發(fā)射出光子，這部分能量從原子中跑掉，而如果其他原子接收到這份光子，它就接受了這份能量，其內(nèi)部接收到這光子的電子軌道便發(fā)生躍遷（到更高能級或更低能級，如果是到更低能級則還會發(fā)出光子）。這就是光的粒子性。
或許理解起粒子性有些無厘頭，但是之所以誕生量子論，只是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)能量的傳遞不是連續(xù)的，而是“一包一包”的。而我們還同時理解光作為波的特性，那么從波的特性去講，相信讀者就更好理解電子或其他帶電荷物質(zhì)是怎么發(fā)射電磁波（光、光子）的了：
我們可以做一個簡單的對比，方便理解。
靜止或按照固定規(guī)律運(yùn)動的帶電體，具有一個穩(wěn)定的電場（對于靜止帶電體，比如一個靜止電子）或一個穩(wěn)定的磁場（對于固定規(guī)律運(yùn)動的帶電體，比如一個在電子軌道的電子）。
一個電子存在于空間當(dāng)中，就像是一塊石頭放在小水灘上，電子在空間形成了電場，就如同石頭放在水灘擠開了周圍的水，不過此時水灘的水沒有波動。
而原子內(nèi)的電子從高電勢能的電子軌道受到不穩(wěn)定力或原子自身力的影響，軌道發(fā)生遷移，進(jìn)到了低電勢能的軌道?；蛘?，靜止電荷比如電子、原子核發(fā)生了移動。那么此時等勢面就產(chǎn)生了變化。
這就如同水灘的石頭突然被移動了，被人踢了一腳，石頭滾到另一處。此時必然導(dǎo)致了水面產(chǎn)生波紋，就是因?yàn)槭^本身占水的位置沒有水了，而一塊本來有水的位置又被石頭占據(jù)了，這一消一長，就產(chǎn)生了水波。
所以，倘若電場或磁場的場源（軌道上的電子或靜止的電子或其他電荷，一般是微觀尺度上）產(chǎn)生了振動、變化，那便會如同水中移動了的石頭產(chǎn)生水波一樣，產(chǎn)生電磁波。然而又根據(jù)熱力學(xué)定律，我們知道這世界上所有物質(zhì)原子分子微觀粒子都具有高于絕對零度（-273.9℃，0K）的溫度，也就是指做著無規(guī)則熱運(yùn)動。所以說，所有物體都向外輻射電磁波，只不過不同溫度（熱運(yùn)動劇烈程度不同）的物體，會輻射出不同波長的電磁波。
溫度高的，就如同水灘里快速動來動去的石頭，產(chǎn)生密而“急促”的水波，換到電磁作用里，也就是波長短頻率高，能量大的電磁波，比如γ射線、X光、紫外線。溫度低的，就是運(yùn)動沒那么快的石頭，產(chǎn)生“松散”的水波，換到電磁作用里，也就是波長長頻率低，能量小的電磁波，比如可見光、紅外線、微波、無線電波。
也就是因此，人們才創(chuàng)造出了紅外線攝影機(jī)（一般生活中的常見溫度的物體、動植物、人向外輻射紅外線），它的原理只是把檢測到的紅外線波長等比例縮短改成了可見光顯示在屏幕上。而溫度更高些的東西，我們不需要紅外線也能判斷它的溫度，比如爐灶紅色火焰外焰的亮的發(fā)白的部分溫度高于內(nèi)部偏紅的，而藍(lán)色火焰溫度高于紅色火焰（藍(lán)光波長＜紅光波長）。所以說，我們看到了溫度——通過它們輻射的電磁波波長。
當(dāng)然，此時話題已經(jīng)有些偏離了目標(biāo)，回到文科小伙伴的問題上去看，我們看罷剛才那么長一段，便能知道，太陽的能量能傳導(dǎo)到地球，依賴的是光，或者說各種電磁波。能量以這種形式（波、粒子的特性）從遙遠(yuǎn)的太陽傳遞過來。
我們都知道波的傳遞必然伴隨損耗，水灘里的石頭移動發(fā)出的水波，用不了太遠(yuǎn)就會衰弱甚至消失（波長越來越長直到趨平），因?yàn)樗ū举|(zhì)是一種機(jī)械波（雖然本質(zhì)也是電磁相互作用），它靠的是水分子之間的振動傳遞的，水分子本身又會損耗一部分動能，所以水波越來越弱，光波也會衰弱，但只有光子與其他費(fèi)米子交互（如之前提到的與其他電子結(jié)合）后能量被其吸收，后才會發(fā)射出新的更少能量的光子（波長更長的光子）。所以雖然宇宙龐大，從太陽到地球距離遙遠(yuǎn)，抵達(dá)我們的太陽光并不會衰減多少（也就是波長沒太多變化）。
當(dāng)我們繼續(xù)回溯，就能找到這些光子的源頭，那就是暴脾氣的太陽。太陽內(nèi)的原子電子分子必然是運(yùn)動很激烈了，不然怎么能輻射出如此巨量且源源不斷的可見光甚至更高能量（更短波長更高頻率）的紫外線等電磁波呢？（太陽表面差不多5700℃，事實(shí)上，我們獲知太陽的溫度，正是根據(jù)這些電磁波推算的）
不過，能夠讓它源源不斷發(fā)射出可見光甚至更高能量電磁波的原因是什么呢？
如果是一般的燃料比如煤炭，升高自身溫度靠的是化學(xué)反應(yīng)——氧化放熱。碳原子與氧氣分子在一丁點(diǎn)刺激（比如火花——周圍溫度突升）下，碳原子和氧原子/分子的電子軌道發(fā)生重排，二者產(chǎn)生電子雜化軌道，共享電子，形成新的分子——二氧化碳或一氧化碳。這一過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)起到?jīng)Q定作用的是電子軌道的轉(zhuǎn)變，就此，化學(xué)和物理的邊界被打通了，化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)是電磁相互作用。在氧化反應(yīng)里，參與反應(yīng)的最外層電子總體上都從較高能級軌道到了相對低一點(diǎn)能量的雜化軌道上，因此釋放了能量（輻射出光子），而輻射出的光子又刺激到了周圍的碳原子和氧氣分子，讓它們繼續(xù)發(fā)生這一反應(yīng)，釋放更多能量，直到碳原子和氧氣分子耗盡。
當(dāng)然，在這個劇烈的氧化過程里，是有多余的光子的，這部分多余的光子產(chǎn)生了燃燒的火焰——對外放出的光，也影響了周圍空氣或物體的熱運(yùn)動（光子的能量加強(qiáng)了周圍，比如空氣其他分子的熱運(yùn)動），這便體現(xiàn)為放出了“熱”。
由此可見，在化學(xué)反應(yīng)里，本質(zhì)靠的還是電磁相互作用，產(chǎn)生的能量是很有限的，如果太陽是個煤球的話，一方面它沒有辦法獲得供給它燃燒的氧氣，另一方面，就算有氧氣，它也燃燒不了多少年，更不用說現(xiàn)在已知它燃燒了近五十億年，所以它不可能是靠化學(xué)反應(yīng)，或者說電磁相互作用產(chǎn)生這么持久熱烈的能量的。
回到那個問題，那靠的是什么呢？
答案是核反應(yīng)，準(zhǔn)確的說是核聚變。
到二十世紀(jì)以前，人們理解的自然界的全部，幾乎都在原子以外的水平，而四大基本作用力人類也只認(rèn)識了宏觀的兩種——引力和電磁力。在原子核內(nèi)，一直有個未解之謎，那就是，彼此都攜帶正電荷的質(zhì)子，加上沒有電荷的中子，怎么能夠抱在一起呢？這顯然違背人們對電磁學(xué)的認(rèn)知。
顯然，自然界具備另一種作用力，是將原子核穩(wěn)定住的?？茖W(xué)家給它起了個名，叫核力。不過后來人們發(fā)現(xiàn)，核力只是片面之觀，（就像壓力只是片面之觀，本質(zhì)是電磁力），核力屬于更大的力學(xué)家族，這個力叫強(qiáng)力（強(qiáng)相互作用力）。強(qiáng)力是夸克之間的力，而我們熟悉的質(zhì)子和中子都是夸克組成的。強(qiáng)力與電磁力類似，只不過電磁力對應(yīng)的玻色子是光子，而強(qiáng)力對應(yīng)的玻色子是膠子，如同電磁相互作用靠光子交換傳遞實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)相互作用靠膠子的交換傳遞實(shí)現(xiàn)，而夸克不僅僅具有電荷，還具有色荷。電荷只有一種（僅具備正負(fù)之分），而色荷有三種，其作用機(jī)制復(fù)雜得多。
拋開復(fù)雜的不看，科學(xué)家了解到原子核中質(zhì)子和中子可以互相轉(zhuǎn)化，因?yàn)橘|(zhì)子和中子本質(zhì)只差一個夸克，而通過膠子，原子核內(nèi)部的夸克其實(shí)時刻處于交互狀態(tài)，如同一鍋粥。但如果沒有中子加強(qiáng)強(qiáng)力的粘合，原子核僅靠質(zhì)子之間的強(qiáng)力是無法膠合在一起的（質(zhì)子之間還存在電磁斥力）。
而所謂核裂變這樣的核反應(yīng)，是外來中子前來搗亂的結(jié)果，中子撞入原子核中打散了原先聚集在一起的原子核，這又導(dǎo)致其中許多其他強(qiáng)相互作用被“擊穿”，于是產(chǎn)生了新原子核、新的中子，并引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，質(zhì)量減少了（差不多減少了一個電子的質(zhì)量），以能量的形式釋放。
而核聚變，正是我們的太陽發(fā)生的事，它需要極高溫度，以至于原子核外電子全部電離（也就是能量過高導(dǎo)致電子無法維持在自己軌道上，脫離原子四處彌散），形成物質(zhì)狀態(tài)叫等離子體，沒有了核外電子，原子核相互就可以靠近，發(fā)生聚合。在太陽核心每秒有七億噸的氫轉(zhuǎn)化為氦，釋放五百萬噸能量（質(zhì)量）。
由此，聚變帶來近乎不竭的能量。截止到太陽系內(nèi)的能量來源，這位文科小伙伴的問題，終于算是得到解答了。
評委點(diǎn)評：
本文具有一定的可讀性，條理性較強(qiáng)。對話體設(shè)置巧妙，但主要是一個人在說，未構(gòu)成真正的“對話”。解釋能量來源時雖遵循從從身邊日常到遠(yuǎn)方太空的線索，但前面解釋“質(zhì)量和能量本質(zhì)上是一樣的”時，就拋出了費(fèi)米子和玻色子的概念，而相對簡單的電磁波又在后文出現(xiàn)。這樣不太符合讀者從易到難的認(rèn)知規(guī)律。也許謀篇布局還可再巧妙些。
—— 評委 趙洋
本文作者具有很好的物理功底，對文中提到的現(xiàn)象理解較準(zhǔn)確，可喜的是，本文作者文筆不錯，表述清楚。一篇好的科普文章在保證科學(xué)性的同時更要注重通俗性和趣味性。本文涉及概念過多，一般的讀者不容易準(zhǔn)確把握作者的意圖，建議作者進(jìn)一步聚焦。
—— 評委 魏紅祥
這篇作品對一個理科生來說，讀起來真的很爽，雖涉及大量的概念與名詞，但都能通過為同學(xué)解答這一形式逐一理清關(guān)系，條理清晰，向讀者娓娓道來！唯一的不足就是，對于那些對物理學(xué)不感冒的人，從一開始就會喪失讀下去的興趣，不過某種程度來說，也并非作者的錯。
—— 評委 王笑寒
