了不起的物理

39 所有物質都很懶:能量最低原理

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能量最低原理,是物理學當中一條極其重要、極其基本的原理。由於是原理,我們無法從邏輯推理的角度去證明其正確性,隻能承認世界的規律本就如此。

能量最低原理,是說所有物理係統都最“喜歡”能量最低的狀態。此處的“喜歡”,對應英文中的“favour”,意思是,任何一個物理係統,隻有能量最低的狀態才是最穩定的。比方說有個杯子,輕輕推它一下,它就倒了。為什麽呢?因為倒下的時候,它的重心最低,重力勢能比它站著的時候更低。但一個倒下的杯子,你再怎麽推它,它也不會自己站起來,因為它的能量已經是最低的了。同理,為什麽不倒翁不容易被推倒?就是因為它特殊的幾何形狀,導致你在讓它傾倒的過程中,它的重心其實在升高。重心升高了,它的重力勢能也增高了。根據能量最低原理,不倒翁有回到重心最低、重力勢能最低的趨勢。這就是不倒翁“不倒”的原因。

不光杯子如此,宇宙當中的每個粒子都有這樣的性質,都喜歡處在能量最低的狀態。為什麽給一塊鐵加熱,當鐵的溫度上升到一定程度的時候它就會發光?這也是因為能量最低原理。因為當你給鐵升溫時,鐵原子內部的電子會被激發到能量更高的狀態。但是高能量是不穩定的,這些電子都傾向於掉落到能量更低的狀態。在這個過程中,由於能量守恒,電子的能量會轉化成光子放出,對我們來說,就看到了鐵在發光。

能量最低原理是一條極其重要的物理學原理。除了能量最低,還有很多類似的物理學規律,例如在統計物理中,有自由能最低原理。在場論中,有作用量最低原理,等等。這些原理的基本思路跟能量最低原理是一致的,隻是表現形式不同。至於為什麽我們這個宇宙會遵循能量最低原理,就目前來說,我們就不得而知了。