能源问题，几乎人人皆知；能源问题的复杂性，我们未必都详知。能量是一个最基本的物理概念，能量利用和能源开发，就科学意义而论，乃立足于物理学之最重要的基本定律之一――能量守恒和转化定律；就社会进步而论，它提供物质文明建设以原动力。从近代到现代，一次次的工业革命和一次次的科技革命，向能源科技的发展提出越来越高的要求；能耗剧增，传统的化石能源渐趋枯竭，新能源开发尚未满足强劲需求，故而似乎形成能源危机那样一种威胁。另一种威胁是，非清洁能源的大量使用，造成环境严重污染、生态有失平衡。因此，尽力开发可再生的清洁能源，实为当务之急；从长远看来，这是人类建设“绿色”物质文明、实现可持续发展的关键之一。

 

　　作为基本定律的能量守恒和转化定律亦可称作能量原理。该原理表明：运动和运动不灭是物质的基本属性，运动形式的多样性以及不同形式运动之间的相互转化是物质运动及其变化规律的基本特征，能量守恒则是此基本特征的主要标志。某些运动形式对应之能量或者不可能直接利用、或者并非只是限于直接利用，那就往往促使其转化成另外的运动形式，予以更方便、更广泛地利用之。燃烧煤炭等化石类燃料，燃料内的碳与空气中的氧反应而放出热能；此乃化学能转化成热能的过程。将煤炭等燃烧，跟燃烧木材一样，以取火、取热（诚然，古人“钻木取火”，对火的利用实为古代文明的标志之一）；然而，蒸汽机等热机可将这由燃烧放出的热能转化成机械能，提供机器运转以动力。而发电机将机器运转所具有的机械能转化成电能；相反，电动机将电能转化成机械能。或许可以说，正是蒸汽机、发电机和电动机的相继发明和大规模使用，才导致18世纪、19世纪一前一后发生了第一次、第二次工业革命。能量始终守恒，它只可能转化，绝不会凭空产生，这两大类动力装置带来的利益都是以消耗化石能源为代价的；因此，人们猛力开采煤炭、石油、天然气。至于以信息革命（也称作第三次工业革命）为核心的当代全球性技术变革，使全人类的耗电量、耗油量、耗煤量等无节制地急剧攀升。于是，工业革命的巨浪把化石能源推向枯竭的边缘。

 

　　在早期化学反应实验的测量精度不太高的条件下，总是测得诸反应参与物跟诸反应产物二者的质量之和不变的结果，由此便得出质量守恒定律，与能量守恒定律相呼应；当时，质量与能量是地位同样重要、但彼此独立的两个基本概念。及至20世纪初叶，狭义相对论揭示了质量、能量的相当性，这两个概念不再彼此独立，而是同一个所谓“质能”概念的不同表现，二者的数量关系由著名的质能相当公式(E=mc2)给出。随着核物理发展，发现了{原子}核反应过程中的质量亏损以及质量增益现象，分别与放能（放出热能）反应以及吸能（吸收热能）反应、即反应前后的能量增益以及能量亏损相对应；这质量亏损或质量增益的数量与能量增益或能量亏损的数量之间恰好满足质能相当公式。那末，质量守恒、能量守恒两条定律结合为同一条质能守恒定律，而质量与能量可以相互转化。

 

　　原子核的质量往往小于核内所有核子（质子和中子）的质量之和，这是因为核子结合成原子核时，会释放一部分能量，以致出现质量亏损；所释放的能量即等于原子核的{总}结合能（总结合能与核子数之比称作比结合能）。这一项原则对于原子层次和分子层次也适用。一般说来，某物质层次的粒子的质量往往小于其构成粒子的质量之和，其差值的c2倍即为该层次粒子的{总}结合能。或可言之，化学能起源于原子―分子层次的结合能，原子{核}能起源于原子核层次的结合能；然而，前者对应的质量亏损相对较小（早期化学实验无法测出），故化学能与原子能不可等量齐观，核能源则威力甚巨。

 

　　不同核素的原子核的比结合能不同，中等质量的核素的比结合能比轻核素、重核素都大，所以当轻核聚变、重核裂变{成中等质量核}时，便有原子能释放出来；这核聚变和核裂变就作为两种主要形式的核能源。可以说，地球上许多运动、变化，特别是一切生命过程，归根结底，都受惠于太阳放出的{光}辐射能；太阳能是各种能源的总源头。太阳辐射能实际上是其内核聚变所释放的原子能。地球表层里的化石能源，其实是千万年之前靠太阳能生长的生物体因长时间的地质变迁、化学反应转化而成。较深地层的地热能也是蕴藏久远的太阳能，或者是放射性元素衰变释放出的原子能。“生物质能”实为由太阳能转化成的体能，亦即蕴藏在生物体内的太阳能。化石能源、地热能源、生物质能源等，都是取其热能，尔后或者使用这热能、或者再转化成电能。至于风力资源、水力资源等，发端于由太阳辐射能驱使的地面大气层运动、地面形貌之变化；风力发电、水力发电，自然是将机械能转化成电能，然而这机械能终究从太阳能转化而来。看来，除了传统的化石能源之外，种种新能源亦都为人们所关注；而将源源不断的太阳辐射能直接转化成电能（抑或热能、化学能），似乎更令人神往。所有这些，则构成当今热火朝天的能源科技领域。

 

　　全球化石能源的储藏量已经不丰，按目前开采速度估计，煤炭、石油、天然气仅可供再开采160年、40年、60年即枯竭殆尽（此年数为平均值，各国的开采期限有大幅上下；例如，我国虽然煤炭资源丰富，但因开采更猛，其期限或许少于60年）：如此状况，堪为担忧。至于非化石类能源，首先是世界各地已普遍建成核{裂变}电站，但其发电量远难弥补火电站供电之不足，许多国家的核电量对于总发电量的比例甚小（我国为2％）；况且，核电站的核泄漏、核废料处置等问题尚未完全解决，特别是二三十年之前发生的核电站事故使人们至今还心有余悸、对其安全性犹存疑惑。其次是受控热核聚变反应堆，虽经长期研究、试制，终因难以圆满解决诸如聚变物质之约束等技术问题、难以取得明显的正能益而没有最终成功。其三，全世界已有20％的发电量来源于水力，但建造大型水坝会造成生态失衡，致使部分科技人员和领导者竭力反对。其四，对太阳能、风能、地热能、生物质能等其他能源的利用所占比重还不高。一言以蔽之：倘若再不加大力度开发种种新能源，发展其相关技术、解决一些棘手难题，使其大规模付诸实用，全球性的能源危机则便指日可待。

 

　　上文已简单说明，能量守恒和转化定律以及质能守恒定律是普遍定律，故而新能源确实多种多样、无穷无尽。核电已广泛使用，核电站与火电站（通常即指煤电站）的区别在于：前者将核裂变反应堆作为热能源产生高压水蒸气以取代后者用煤燃烧的锅炉设备。苏联切尔诺贝利核电站的4号反应堆爆炸事故为后来建造核反应堆者之严重训鉴，该反应堆是石墨沸水堆，后建的核电站大多采用压水堆（我国的秦山核电站和大亚湾核电站都是压水堆），压水堆的安全度高于沸水堆。铀、钚等核燃料的储藏量颇丰，核电成本低于煤电，而且“无碳排放”（不排放CO2、SO2、烟尘等温室气体和有害物质），所以提高核电的比重，还是今后加强开发非化石类能源的重要方面。从热核聚变反应取得经济效益迄今虽未达成，但这方面的研究已有甚大进展，对聚变物质采用磁约束（例如凭借“托卡马克装置”）或惯性约束（例如凭借激光驱动而达到高温、高压）以满足聚变反应的点火条件，预计在本世纪中期会建成有可观正能益的受控热核聚变反应堆。聚变的原料主要是氘（2H）、氚（3H）、锂（7Li）等，它们为地面水资源和矿藏资源所富含；据估算，水中的氘，可供应全球人口用上1010年。因此，原子能（包括裂变能和聚变能二者）是本世纪的主导能源。特别是，核聚变不会像核裂变那样产生裂变碎片类的核废物，故而核聚变能在全部能源构成中的优势将会逐步提升。

 

　　太阳能工程也许更是本世纪或更长时间里必须大力发展的普遍性技术工程。为了应对能源危机，许多国家都在实行“阳光计划”，积极利用这取之不尽、无碳排放、或可不影响生态平衡（反而会抑制气候变暖）的太阳能资源。据估算，假如将射到地面1‰的太阳能转化为电能，转化率取作5％，则其发电量高达5.6×1012千瓦时，即为如今全世界总能耗量的30-40倍。因此，一些太阳能取暖、发电设施，在德国、日本等国家里的普及程度相当高。在我国，太阳能发电量正以每年30％的速度增长。几十年以后，太阳能完全可能成为最主要、最受欢迎的能源之一。

 

　　全球地热能的储量也甚为可观，相当于煤炭总储量所产生的能量的1.7倍；我国对地热的开采利用量正以每年7％的速度增长。生物物质当然遍布于地球表面各处，生物质能的总储量是不可计数的；可有选择地将某些生物原料变成可燃气体、固体燃料，抑或制成乙醇、生物柴油以取代由石油提炼成的普通汽油（现已用于汽车运输）。水力发电和风力发电的潜力很大，且成本较低；我国的水力、风力资源尤丰，开发利用的力度亦在逐年加强。氢能（氢的储量亦非常大）、海洋能和潮汐能的开发利用――例如海水温差发电和潮汐发电等――已经受到重视。此外，开始予以关注的还有油页岩、可燃冰等；着手探索中的甚至有：阻止地球两极冰冠融化以取热、利用气温转变以取热、利用地球自转以及海浪运动而取其机械能等等。凡此种种，则说明：由于物质运动不灭，人类可资利用的能源――就总体而言――其实永远不会枯竭；不断开发、合理利用各种优良的新能源，特别是可再生的清洁能源，乃是现代科技肩负的最重要任务之一。

 

　　有人声称，一次次工业革命最终给社会带来的是“黑色文明”。因为工业革命大大解放了生产力，致使生产高度发展、经济空前繁荣、科技达到很高水准；然而在这同时，却又并显资源短缺、环境污染、生态失衡、持续发展受阻的黯淡趋势。可是，人们要建构的是“可持续发展的社会”，其物质文明应为立足在高科技基础之上的“绿色文明”。所谓建设“绿色文明”，乃指在促使生产发展、经济繁荣、科技进步的同时，尽可能节约资源、降低能耗、减少污染、维护生态平衡。而保护全球生态环境尤为重要，它是从事工农业生产、拓展高科技工程时必须顾及并认真执行的使命，也是保证社会生产力持续增长、物质文明常绿常新的战略根本。

 

　　能源科技与物质文明染“黑”、染“绿”之关系十分密切。化石燃料的开采和使用，是造成环境污染的元凶之一；化石能源“不清洁”，或谓之十足的“黑色能源”。核电{站}虽然没有碳排放，一般称其为清洁能源；但笔者以为应将“清洁”的意思拓宽一些，因为核裂变反应堆难免产生危害性极强的核污染。水电是较清洁的可再生能源，碳排量很低，但用于水力发电的大水坝往往造成水域环境的生态失衡。世界自然基金会的一份报告中指出，全世界有21条大河当列入受大坝危害最大的河流；其中包括我国的长江。纵然三峡水电站的发电量不菲，由其获取的经济效益的确颇大（相当于每年5000万吨的煤耗量）。风能、太阳能、海洋能、潮汐能以及氢能等亦都堪称清洁的可再生能源。地热能和生物质能在开采和使用过程中会稍有污染，后者显然是可再生能源，前者已开采量不多，尚储藏的占绝大比例。

 

　　一般说来，自然资源一旦大规模开发，总会对自然环境及其生态平衡产生或大或小的影响。凭借大坝实现水力发电而破坏水域环境的生态平衡，即是典型一例。研究中的海水温差发电或许会影响海洋里的生态平衡。二百年来化石能源的迅猛开发和普遍利用，造成整个地面环境严重污染，而且导致大气层的温室效应加剧、全球气候变暖，从而在一定程度上破坏了地球表面系统的生态平衡（例如使得冰川和两极冰冠渐渐融化、海平面缓缓上升）；这是尽人皆知的物质文明染“黑”事实，亦可谓能源危机之除了当今可资实用的能源尚嫌短缺以外的另一层含义。不同能源的开发对环境、生态的影响有可能是逆向的；那末，使各种影响彼此抵消恰会有利于环保，这也许可看作对自然资源综合利用的更深刻含义之一。譬如说，阻止地球两极冰冠融化以取热、利用气温转变以取热、大规模利用太阳能，兴许会削弱温室效应、抑制气候变暖。且说说可燃冰，它是甲烷（CH4）气体的水合物，在低温、高压条件下呈固态；温度升高即融化，成为一种相当实用的气体燃料。可燃冰储藏于海底、湖底、永久冻土带，其全部储层所含之有机碳总量比全球化石燃料（包括已开采的和未开采的）的碳含量还多。但是，即便技术手段允许，把可燃冰开采出来，其后果亦堪忧：可能使污染环境的碳排放量增大、温室效应乃至气候变暖进一步加剧；更有甚者，海底、湖底的可燃冰块移去后便形成空洞，于是造成海床、湖床不稳，从而引发可怕的地质灾害。因此，开发新能源不可纯粹着眼于经济效益，也不宜单单从缓解能源短缺考虑，而必须预测该新能源的开发和利用，会对自然环境及其生态平衡是否产生或产生多大的不良影响、以及能否找到消除此影响的方法。可燃冰这样的燃料储藏，尽管看似“无价金矿”一般，但就目前技术条件而言，是不可大量开采的。

 

　　无碳排放或碳排放量甚低的能源，而且造成其他类型的污染（诸如核污染、热污染、电磁污染等）也甚少、并有相应的技术手段消除各种污染者，可称为清洁能源；这“清洁”的意思已予拓宽，故而或可冠以“绿色能源”之名。全面开发可再生的绿色能源、努力发展能源科技（尤其须开拓抗污染技术），并尽量提高能源利用率（即转化成可直接、方便地使用的能量形式的转化率）、降低技术成本，那末这绿色能源又可谓之优良能源。如此能源为物质文明染上亮丽绿色，极有助于文明建设的持续发展。当然，造就质地优良的绿色能源，乃有赖于高新技术以及现代物质科学的大幅度进展及其对能源科技的高层次应用。