导读：

在物理学领域，有很多定律都受到怀疑和批判，唯有能量守恒定律，自建立以来，一直被当做全部自然科学的基石。特别是在物理学中，每一种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合。人们对自然所有的思考都是在能量守恒的法则下进行的，即使在遇到障碍时，也会绕过去，抱着能量守恒的习惯性思维继续前行。幸运的是，障碍并不是很多，这让该定律继续坚如磐石。但是在本文中，我将剖析障碍，打碎这块磐石，带领你一起去看看能量湮灭现象。

自然界的一切物质都具有能量，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变，这就是能量守恒定律。能量守恒定律与细胞学说、进化论合称19世纪自然科学的三大发现。自19世纪中叶以来，它一直被人们认为是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化或转移，就一定服从能量守恒的规律。

和许多物理学定律一样，能量守恒定律的发现是一个曲折艰苦和激动人心的过程（见附录），可是它一经确立，就成了人们的普遍共识。然而事实上，能量守恒定律并不完全正确，它只在某些情况下成立，在一定的条件下存在着能量相消现象，这种现象在自然界中也普遍存在。可是目前由于能量守恒定律控制了人类的思想，成为人们的习惯性思维，在面临这种现象时，人们没有提出能量相消的概念，在某些情况下甚至没有意识到这种现象的存在。

下面我们来看看几种能量相消的现象。

1，在简谐振动的合成中存在着能量相消现象。

    在弹簧振子系统中，物体的运动规律表明物体的加速度与物体离开平衡位置位移的大小成正比而方向相反。一般地说，我们把服从这种规律的物体的运动称为简谐振动。简谐振动是最简单的一种规律振动。现在设一质点同时进行两个在同一直线上的同频率简谐振动。在单独进行时，两个振动的表达式分别为

、和、分别为俩简谐振动的振幅和初相。当这两个振动反相时，即，由运动的合成可知，质点的合成运动仍在这一直线上，振幅为，合振幅等于两分振幅之差。这是合振幅最小的情形，两个振动都减弱了，如下图所示。

若=，则=0，即两个分振动合成的结果是质点不振动了。

尽管两个质点的振动的湮灭需要一定的条件，但是它让我们知道振动可以相互抵消。下面我们来看看有多个振动的情况。如果在同一直线上有n个简谐振动，它们的表达式分别为

设这些振动互不影响，则由运动的合成可知，质点的合成运动仍在这一直线上，它离开平衡位置的位移为。当这些振动的表达式中的参数在一定的范围内取随机值时，根据数学原理可知，余弦函数的取值范围是，所以n越大，就越趋近于0。

当这些振动处在任意方向上时，根据矢量的迭加原理，结果同样如此。

从上面的讨论可知，当简谐振动进行叠加时，只要满足一定的条件，振子就可以不再振动。因为振子携带着能量，所以这也就是说各个振动系统的能量在合成时可以相互抵消，甚至完全消失。当振动为非简谐振动时，或者当振动既有简谐振动也有非简谐振动时，只要它们在平衡位置两侧的运动是对称的，当它们进行合成时，显而易见，情况同样如此。

2，在机械波的叠加中存在着能量相消现象。

机械波是机械振动的传播，其传播过程也是机械能传播的过程。无论同向波还是反向波在叠加时都存在能量相消现象。

同向简谐波叠加时的能量相消现象。如下图所示，

设有两个以相同频率和振幅振动的平面波波源S1和S2，S1和S2都垂直于图面，它们振动的位移分别为

两波源振动的初相差为。现在让这两个线波源产生的波进行叠加，当S2在S1右侧，平行相距时，根据波的合振幅公式

在波源S2右侧的任意一点P距S1、S2的距离分别为和，则在P点两波传来振动的相位差

即两列波在S2右侧的任一点的振动都是同相的，合振幅为。两列平面波在S2右侧叠加后变成一列加强了的平面波。

在S1的左侧，取任意一点Q，两列波在Q点的相位差

即两列波传到S1左侧任意一点的振动都是反相的，故合振幅。在线波源S1的外侧不再有波。

当S2位于S1的左侧，平行相距时，通过计算可知，两列向左传播的波在叠加后得到了加强，而两列向右的波在叠加后则消失了。这说明同样的两列波可以相互加强，也可以相互湮灭。

反向简谐波叠加时的能量相消现象。如下图所示，

两列振幅、波长和频率均相同的波相向而行，当它们相遇时，叠加处将总是反相的，波峰和波谷相叠加，因而发生相消干涉，相互湮灭。

在两列波的叠加中存在着相消干涉的现象，只要满足一定的条件，它们甚至完全可以相互湮灭。事实上，当数量众多的随机波在某处任意地叠加时，根据数学随机性原理可知，这点既不可能全是波峰，也不可能全是波谷，波峰和波谷的数量应该是大体均衡的。也就是说这点将发生相消干涉，而且波的数量越多，在这点叠加后的波的振幅就越接近于0。即当有无穷多的随机波相叠加时，波将完全消失。

波携载着振动的能量，在波的传播中，能量也在传播。机械波所携载能量和振幅的平方成正比，波的相消干涉现象说明波所携载的能量也发生了相互湮灭。能量的确消失了，它们并没有转换成其他形式，这说明能量守恒定律在机械波的叠加中并不成立，它并不是自然界中普遍适用的法则。

在物理学教材中，往往只对机械波在传播中遵循能量守恒定律的情况进行讨论，当波叠加相消时，就不再讨论其中的能量问题。这种回避矛盾的做法，经常迫使一些有钻研精神的学生去向老师求教，当然，老师们也无法回答他们的问题。学生们只好绕开障碍，一代又一代。

3，电磁波在相消干涉中存在着能量湮灭。

机械波依靠媒介之间的机械力的相互作用来传播，电磁波是性质完全不同的一种波，它不是靠机械力来传播的，而是靠媒介能够形成电场和磁场的这种性质，它是一种性质波。尽管如此，在电磁波的叠加中依然存在着能量相消现象。我们知道电磁波由交替变化的电场和磁场组成，由于电场和磁场都是矢量场，当它们和自身的反方向场相叠加时将互相湮灭，彻底消失，所以即使依据我们已知的物理学原理，也应该明白电磁波在一定的条件下完全可以自己湮灭自己。其图解如下，

电磁波的本质是变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生反向的变化的电场，反向的变化的电场又产生反向的变化的磁场。这形成一个完整的电磁波波长，这个过程周而复始，形成持续传播的电磁波。但是，电磁波实际上非常脆弱，在它传播的旅途中，如果遇到大小相等，方向相反的电场或者磁场，它就将彻底消失，从而中断自己的旅行。我们应该能够认识到这一点。比如两列完全相同的电磁波，当它们叠加时，如果波程差为半个波长，就会电场和电场相消，磁场和磁场相消，从而让两列波相互湮灭。当然，两列波的能量也就完全消失了。

对传统意义上的电磁波，我们的肉眼无法观察，所以看不到它们叠加时的相消现象，只能从原理上进行剖析。然而可见光也是一种电磁波，我们可以通过可见光的干涉现象来认识整个电磁波的相消现象。

下面让我们来了解一下历史上著名的双缝干涉实验。如下图所示，由普通单色光源S发射的单色光通过一个狭缝s0后照射到双狭缝s1、s2上，s1、s2之间间隔很小且与s0平行，在双缝后面的光叠加区域内放置的观察屏上可以观察到通过双缝的两束光产生的一组与双缝长度方向平行的明暗相间的条纹。如果光也是波，按照波的干涉理论可知，屏上的明纹是两束相干光发生相长干涉的位置，即两束光的波峰与波峰或波谷与波谷相叠加的位置；而暗纹则是两束相干光发生相消干涉的位置，即两束光的波峰与波谷相叠加的位置。

双缝干涉实验不但证明了光的波动性，而且有力地体现了光波也存在着相消

干涉现象。尽管试验中的波是球面波，但是根据这个性质我们可以知道，对于两束相干平面光波，当它们在传播的方向上进行叠加时，如果两束光的相位差为，即光程差，那么在叠加区域的任何一点都符合双缝干涉的暗纹条件，即这两束光将全部相消。

光的这种性质已经被人们认识，且得到了利用。在光学仪器中普遍使用的增透膜就是一个例子。增透膜就是利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。

根据不同的功能要求，增透膜有很多种，反映成颜色来看有红的、蓝的、紫的。我们最常见的望远镜的镜头常为紫红色，这主要是因为日光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等单色光组成，而望远镜的镜头上的镀膜厚度是按照绿光的波长要求来设计的，这就使镜头反射的日光中绿光和相邻波长的光都得到一定的相消，红光和紫光的比重增大了，所以镜头呈现出紫红色。

如下图所示，

光在单层膜中反射的示意图

根据光的干涉原理，要想让反射光完全相消，需要满足两个条件：1，光线①和②满足振幅相等，即强度相等；2，光线①和光线②的光程相差半个波长。满足这两个条件，两束反射光就能够相互抵消，整个系统的反射光能量接近零。根据能量守恒，透射过去的光能量得到了增强，几乎使全部光透射过去，这就是科学界所公认的增透膜能够增透的原理。

按照这个原理，我们来看看以下情况，分析一下会有什么样的结果。

    将上图中的介质换成全反射镜，薄膜换成半透明反射镜。由于我们只是做理论上的探讨，可以认为全反射镜能够将光全部反射回去，半透镜能够使光一半被反射，另一半被透过。现在，让一束波长为的单色光垂直照在半透镜上，当半透镜的厚度时，（k为自然数，为光在半透镜中的波长），这样光线①和光线②的光程相差半个波长，将会发生什么情况？在给定的条件下，半透镜满足增透膜的条件，根据光的干涉原理，光线①和光线②将完全相消。在介质条件下，我们可以说根据能量守恒定律，能量全部通过了介质，可是现在光线是落在全反射镜上，在这种情况下，传来的光完全消失了，那么光能量到底哪里去了呢？

    在球面波叠加时，我们还可以辩称相消处的能量转移到了相长处，可是当平面波叠加相消时，波确实完全消失了。很显然，依靠现有的物理学定律谁都无法给出答案！只能有一种解释，那就是光能量的确完全湮灭了。

在球面波叠加时，能量也存在着相消，辩称能量转移到了相长处是错误的。根据理论，波的强度与振幅的二次方成正比。波的强度公式为：

其中，Z为媒质的特性阻抗，决定于媒质的性质；ω为波的角频率，在简谐振动中，在单位时间内物体完成全振动的次数叫频率，用f表示，频率的2π倍叫角频率，即ω=2πf。频率是描述物体振动快慢的物理量，所以角频率也是描述物体振动快慢的物理量。设在同一媒质中有频率相同的两列波，它们的振幅分别为、和。当这两列波叠加时，如果它们的相位差为0，则合成波的振幅。这就意味着，根据波的强度公式，合成波的强度将大于这两列波的强度之和。合成波的能量大于这两列波的能量之和，这是不可能的。同样的错误被引入到光波的叠加中，使相消的能量得到填补，从而得出光能量守恒的结果。实际上，在光波叠加时，能量存在着湮灭。

光能量的湮灭让我们重新去认识增透膜的原理。增透膜确实能够增加光线的通透能力，但是对其原理的解释却是错误的。如果解释是正确的，根据能量守恒定律，当反射光呈现紫红色时，透射光应该呈现一定程度的蓝绿色。根据这样的原理，无论增透膜的反射光呈现何种颜色，我们看到的景象或者照相机拍的照片都会颜色失真。事实上这样的现象并没有发生。

为了明确这一事实，我们还可以做个实验。

日光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光聚合而成，在水面漂浮的油膜上或者在液体泡沫上，我们常常可以看到由这几种颜色组成的彩色条文，对于其原理，科学家已经给我们介绍得很清楚了，我不再详述。不过，按照能量守恒，在油膜或泡沫的另一面，由于透射光颜色的平衡已经被打破，也应该能够看到彩色的条文，而且色彩应该和对面条纹在薄膜面上反方向对称。现实真的是这样的吗？我们来做个实验，找来一根长10～20cm、孔径3～5cm的不透光圆管，把它的一端在肥皂水（注）中沾了一下，以蒙上一层水膜，当水膜出现清晰的彩色条文时，此时，通过管子的远端你将发现另一面并没有彩色条文，只有因部分光能量消失留下的条状暗影。虽然没有实验室，但这个实验太简便，任何人都可以做，你也可以试一试。

注：任何能形成透光薄膜的溶液都可以，我在实验中使用的是洗衣粉水溶液。

我认为这从实验上证实了光的湮灭现象。那些相消的光并没有透过薄膜，认为它们透过了薄膜也违反了物理事件发生的逻辑顺序。光怎么可能提前知道它将通过的薄膜是增透膜而不再进行反射？

光波是一种电磁波，可见光的湮灭验证了电磁波在叠加时会出现相消现象。遵循波的原理，当衡量电磁波的参数没有特别大的差距时，如果有少量的电磁波，要想让它们完全相消，需要严格的条件，而如果有数量众多的电磁波在空间随意地叠加，电磁波的数量越多，它们之间就越接近于完全相消。

在物理学教材里，波的干涉相消现象得到了深入地探讨，但是，关于其中的能量问题，在能量守恒定律的束缚下，科学家无法对每种情况都给出解答，因此，教材有时回避讨论波相消时能量变化的规律。比如，当两列平面波完全相消时，能量到底哪里去了？这个问题让一代又一代的学生困惑，但他们的教师也无法正确地回答这个问题。关于这个问题的答案，我在网络中进行了搜索，发现有这样的回答：

1）对电磁波，如果它的电场发生完全相消干涉，即电场E相反，那么磁场B方向就相同，也即是说磁场就发生相长干涉，这时候能量全部被磁场携带；反过来如果磁场完全相消，电场就相长，能量全部为电场携带。但是不可能发生磁场电场全部完全相消的情况。这个回答其实经不起推敲，因为当电场反向时，磁场也是反向的。即使不反向，在传播的过程中，当电场或者磁场相消后，它就无法继续激发出磁场或者电场，电磁波也会消失。

2）对机械波，波传播能量是用能量密度衡量的，振动的能量，除了动能，还有势能，在干涉相消的地方，动能没有了，但能量储存在势能中，该处的物质密度增大了。这种解释当然更经不起推敲。在叠加时，波就完全消失了，哪里还有什么动能或者势能？当然，更没有什么力量让物质的密度增大。

以矢量形式存在的能量的确能够因相互湮灭而完全消失！

振动、机械波和电磁波都携载着能量，它们在叠加时都存在着能量相消现象。这让我们重新去认识能量守恒定律。

能量守恒定律的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件，它是自然科学中十分重要的定律，被恩格斯称为“十九世纪三大发现”之一。可是唯物主义的哲学思想告诉我们：任何真理都建立在人们对自然认识、理解的基础之上。因为认识的不全面、理解的不透彻，所以真理都是相对的。事实的确如此，能量守恒定律建立在各种能量形式互相转换时其量值不变的基础之上，尽管有着广泛的基础，但是它没有考虑能量叠加时的相消现象，所以严格地说能量守恒定律并不正确。

19世纪40年代，德国医生迈尔开启了能量守恒定律的大门。1853年，英国物理学家焦耳和汤姆逊共同完成能量守恒定律的精确表述。1860年后，能量守恒定律广为世人所接受，成为力学乃至整个自然科学的重要定律。不过它仍然会发展。1905年，爱因斯坦发表了阐述狭义相对论的著名论文《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中揭示了质能守恒定律，即在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变，称为质能守恒定律。尽管定律的表述越来越准确和全面，但都没有突破能量守恒的思维。

关于能量守恒定律的最新研究，目前有研究者认为，能量守恒定律需要条件限制，它并不是在任何情况、任何时空都是普适的，认为时间平移不变性是能量守恒的条件。首先我要说这种认识是完全正确的，以不同的时间坐标系来衡同一事件，其结果当然也是不同的。即使需要这样的条件，也不影响定律的意义和使用，因为我们对任何物理量的衡量都是在我们所处的时间坐标系中来进行的。

本文揭示了能量湮灭现象，也为能量守恒提出了必要的条件限制。严格地讲，能量守恒定律应该叫能量转化守恒定律，因为能量只在转化中守恒，人们也是这样理解该定律的。物理学原理告诉我们，方向相反的矢量会因叠加而湮灭，在传播中，作为矢量的能量会因相互湮灭而消失就变得非常容易理解了。

能量存在着湮灭现象，这是自然不争的现实，它打碎了自然科学历来坚如磐石的一块基石。对宇宙可见的物质来说，这非常可怕，因为这意味着它们的最终毁灭。对人类和宇宙众生来说却是幸事，因为如果不这样，宇宙就会变成一个连岩石都会被融化的大熔炉，即宇宙热寂。