将自然界各级运动形态的不同质的现象加以统一起来把握的倾向，导致了能量理论的建立。^[1]从历史上考察，能量概念来源于力学。伽利略通过理想实验得到：物体自由下落一段距离所达到的速度能够使它在理想情况下回到原来的高度。莱布尼茨的物力论认为，力是物理实在的基本元素。这些基本元素，莱布尼茨称为单子，以及基本元素的组合体，它们唯一的属性就是力。但是，在莱布尼茨这里，与牛顿相比，力的含义有了根本的变化。莱布尼茨所说的力相当于现代物理学中的动能，他认为这种力是物质固有的，是物质根本性质的表现。

莱布尼茨曾在他的《对物质的理解的哲学修正》中表示：“对于经院哲学家而言，力表达的不过是一种运动起来的可能性，只是必须在有外力激发或冲击的时候才能真正运动起来。而活力不是这样的。活力在推动能力和动作本身之间，包含着某种活动状态或实体。它本身就包含了运动倾向，可以在不需要任何辅助手段的情况下独立地导致运动的发生，唯一需要的是障碍物的移除。”“这段话在物理学史上具有重大意义。因为它不仅表明了莱布尼茨的力的概念的本体论地位，而且它宣布了一门专门研究在自然界中的表现方式的新科学学科——动力学的诞生，这或许是这个名称在物理学史上的首次出现。”^[2]莱布尼茨认为活力来源于物质的某种内部运动倾向，可以不借助外界独立起作用，匀速运动的惯性原理就是活力存在的证明。这种用惯性来定性说明物质固有活力的方法，与牛顿的惯性力概念倒有相似之处。

1686年，莱布尼茨发表了一篇名为《关于笛卡儿等人的一个显著错误的短论：他们认为上帝在自然中设定运动的量总是守恒的，但这种认识与力学相悖》的文章，试图对力做定量研究。他反对笛卡儿的运动的量守恒，他认为：“当两个柔软物体或非弹性物体碰撞时会损失一部分‘力’，这是事实……但这只是表象，这部分‘力’其实被碰撞物体吸收了……力没有被毁灭，而是分散到了物体的组成部分中。这个过程中物体并没有力的损失，就像是我们把大面额钞票换成零钱时，钱的总额并未改变。”^[3]用现代物理学的术语，笛卡儿的运动的量等于质量和速度的乘积，即mv；而莱布尼茨认为，遵循守恒的“力”或者“活力”应该是质量和速度平方的乘积，即mv2，并且这种“力”的守恒是物质的内在属性决定的。力的量度究竟应该是“动量”（vis mortus），还是“活力”（vis viva），这个问题导致了曾经的莱布尼茨主义者与笛卡儿主义者之间长期的争论。

1695年，莱布尼茨以另一种特殊的形式给出了活力（vis viva）的概念，即力和路程的乘积。达朗贝尔曾指出，动量和活力这两个概念“模糊地谈到了动量的变化和力的作用的时间有关，活力的变化和力的作用距离有关”。^[4]也就是说，笛卡儿的方法给出的是在给定时间里作用的力的效果的量化表示，而莱布尼茨的方法给出的是在给定的路程里作用的力的效果的量化表示。这里莱布尼茨的“力”或“活力”概念即是后来物理学中的能量概念，或者更加具体地指的是动能概念。

在莱布尼茨之后，约翰·贝努利多次提到活力守恒，并强调当活力消失时做功的能力并没有失去，而只是变成了另一种形式。欧拉则进一步认识到质点在有心力作用下活力也是守恒的。1807年托马斯·杨在《关于自然哲学和机械技术教程》一书中，用“能”（energy）这个词来表示活力。杨根据热与光的比较，得知物体的辐射热与红外线的热效应相一致，从而认识到热与光在本质上是相同的（他认为都是波动）。1829年，关心工业上动力和机械效率的彭色莱（J.V.Poncelet，1788—1867年）在《工业力学序论》中给功（work）下了明确的定义。法国科学院在1775年作出决议，不接受任何“永动机”方案。这些都为普适的能量原理的建立铺平了道路。^[5]“首先我们看到能量概念在17和18世纪由惠更斯和莱布尼茨引入力学学科，以及这个概念如何慢慢从一个纯粹导数，并因此涉及堆块运动（motion of masses）的某些有限的概念，发展到一个强大的描述任何机械系统的行为的方式。与拉格朗日和汉密尔顿的名字联系在一起的这一发展，通过引入高度抽象的‘势能’概念，以及应用18世纪发展起来的‘最小原理’概念而提出。19世纪能量的概念扩展到涉及电和热自由度的物理系统。”^[6]有了能量这个概念，意义很重大，它不仅适用于力学，也适用于热学、电学、光学，甚至是当代的原子物理和场论等其他科学领域。

到19世纪初期，德国的自然哲学把整个宇宙看作是由某种根本性的力量而引起的历史发展的产物，认为自然界的诸力，热、电、磁、光、化学亲和力等在本质上是同一的。这种思辨的自然哲学奠定了自然界诸力相互转化的设想的哲学基础。^[7]到19世纪中期，能量概念已经成为解释各种自然现象的主流概念。1847年，亥姆霍兹（Herman von Helmholtz）写了一篇《论力的守恒》的论文，提出了一个表示能量守恒的数学公式。他说自然动力或自然力不可毁灭，但可以相互转化，以及能量是守恒的，并在能量守恒的前提下对自然动力的转化进行了分类。这里，亥姆霍兹的“力的守恒”还是一个模糊的概念。^[8]

亥姆霍兹试图根据物质和力的本体论以及运动物体的机械本体论的解释框架来说明能量守恒。要使自然界被理解，就要求自然界遵循因果律，这些因果律就是牛顿的中心力定律。为此，亥姆霍兹求助于康德的自然哲学。为了试图建立牛顿物理学运动定律及万有引力概念的可能性，康德用吸引力和排斥力来讨论物质。亥姆霍兹认为物理科学的问题就是将自然现象归纳到不可替代的吸引力和排斥力，牛顿中心力定律是“理解自然界的必要的概念形式”。对于一个来自固定力心的中心力作用的物体的运动，活力的改变由“张力”这个量的改变来量度，通过论证，他得到了活力守恒原理的一个普遍形式。张力等于中心力与物体到力心距离的乘积。他所宣称的活力与张力之和为恒量的力的守恒原理，取决于物体的运动由中心力定律所制约的假设。在论证中，亥姆霍兹区分了“力”这一术语的双重意义，在谈到活力和张力的能量时，力指的是牛顿的中心吸引力和中心排斥力；而“活力”和“张力”则相当于后来的“动能”和“势能”。他首次用mv2/2来表示活力，而不是mv2。他还进一步把守恒原理应用到热学和电磁学，用物质运动的术语来解释热量，引进了势能和静电势（他称之为张力）并导出了电磁感应定律。“亥姆霍兹关于能量守恒的研究工作的重要性，不仅在于提出了能量原理的数学公式，而且还在于强调了能量概念——与运动物质的本体论和力学解释纲领有关——的统一功能。”^[9]

能量原理的提出来源于拥有思辨哲学传统的德国，而它在实验上的确立则来自具有经验论传统的英国。1843年，焦耳在英国皇家学会上宣读了《论磁电的热效应及热的力学值》，首次公布了热功当量的实验值，后来又不断改进实验并提高精度。他通过实验测量由摩擦产生的热量的机械值，提出了热的机械等价性概念。同时，焦耳断言，“热量转变为机械效应的可能性”是存在的。他认为，正是依靠“力”的相互转化，才使宇宙保持着有序状态，并且“力”的不可毁灭性表明自然界是自给自足的。一旦上帝确立了自然力的框架，自然力在总体效果上就保持不变了。^[10]

19世纪之前，科学家采用不可称量流体来解释电、磁、光和热的现象，认为不同的流体是“以太”的各种变种，并把“热素”作为燃烧过程中的不可称量流体。1851年，W.汤姆逊写了《论热的动力学》一文，提出了热力学科学的概念所面临的问题。他指出：“热不是一种物质，而是一种运动的状态。”意思是说，热是由粒子的运动引起的“动力学”，力学理论才是焦耳学说的物理基础。汤姆逊把能量分为两大类，即“静态的”能量和“动力学的”能量。一定高度的物体、一定带电的物体、一定量的燃料，都包含着“静态的”能量；运动着的物体、光扰动的传播或辐射热通过的一个立方体，以及粒子处于热运动之中的物体，都储存有“动力学”能量。也就是说，电、光、热的现象都可以由能量概念联系起来，并且能量的所有形式都是“机械能”的形式，自然界的所有现象，包括传统意义上的力学问题中的现象，都可以在能量的基石上归结为由力学解释的理论之中。汤姆逊在力学的范畴内确立了能量的地位，能量成为奠定物理学基石的最基本的概念。^[11]

随后，英国格拉斯哥大学的兰金（W.J.M.Rankine）在1852年至1955年间对W.汤姆逊的学说作了进一步展开和总结。他把能量的重要地位比作自然界的第一作用因素，强调能量概念在物理学形成系统的、公理的和假设性的基础中的作用。他认为能量是物质处在各种状态下的共同特性，能量是作为一种公理引用的，与物质性质的假设的不确定性无关。借鉴汤姆逊对能量的分类，兰金把能量分为“势能的或潜在能的”和“实在的或敏感的”能量。1867年，汤姆逊和泰特在《论自然哲学》一文中把这一术语改为“势能”和“动能”。按照兰金的观点，能量转化的基本规律就是：已知能量守恒定律就是宇宙中实际的（动能）和势能之和保持不变。能量物理学的普遍原理确立了物理学的基本框架，我们可以利用能量和能量守恒定律去重新认识对现象的力学解释纲领。^[12]

随着能量概念含义的不断澄清，科学家们意识到力的守恒和能量的守恒是两种不同的概念，之前用“力”或“活力”概念来描述守恒量的做法逐渐被放弃。兰金指出，在力学和引力理论中所用的力是不守恒的，只有能量才是一个守恒量。他认为力可以被定义为使物体改变运动状态的趋势，而能量的大小是由力和在力的作用下物体运动所通过的距离的乘积来计量的。法拉第在1859年的论文中强调“力”这一术语表示的是“物理作用的起因”，而不是表示物体从甲地到乙地的趋势。到19世纪50年代后，把能量概念看作物理学普遍原理基石的物理学家们都希望从物理学中删去传统的数学上模糊的所谓力的转化和力的守恒概念。^[13]

1867年，W.汤姆逊和泰特在《论自然哲学》一文中重建了分析动力学，强调了将拉格朗日广义运动方程的物理基础与能量守恒定律结合起来确立分析动力学的框架。他们把能量概念，而不是质量和力的概念作为研究自然现象的最基本物理量，采用了“动力学”而不是“力学”这一术语，用完全抽象的数学方法导出了解析定理的广义运动方程，并发现牛顿运动定律完全可以由此方程导出。麦克斯韦指出，力学系统背后的结构，原则上可以用无穷多种可能的力学模型来描述。与牛顿力学的经验研究不同，这种抽象的数学方法的长处在于，他可以回避特殊的力学模型，系统部件的运动和构形决定的物质系统的能量在不涉及系统构形和运动的深层机制的情况下就能给予说明，并且这种机制是不必考虑坐标的。他们宣称，由于系统的平衡条件和系统的运动条件都可以从能量守恒定律导出，因此能量守恒定律是理解整个抽象动力学的基础。他们把能量作为基本的物理量，明确指出：“能量是实实在在的，它像物质一样是不死不灭的。”能量和物质一样，都是自然界的基本成分，力学解释纲领就是在能量概念及其在抽象动力学形式下的应用的基础上完成的。^[14](www.daowen.com)

彭加勒认为，与经典理论相比较，能量学理论具有下述优点：（a）它比较完备。也就是说，哈密顿原理和能量守恒原理告诉我们的东西比经典理论的基本原理更多，而且它排除了某些在自然界中无法实现的可以和经典理论相容的运动。（b）它使我们省去了原子假设，对于经典理论来说，这个假设几乎是不可避免的。并且他认为，动能或活力可以十分简单地用所有质点的质量和相对于它们之一的相对速度来描述。这些相对速度是观察可以达到的，当我们知道作为这些相对速度函数的动能表示式时，那么这个表示式的系数将给我们以质量。^[15]

1900年彭加勒发表了题为《洛伦兹理论和反作用原则》的论文，其中他把电磁能量的特征描绘为“赋予了惯性的流体”。赫伯特·艾夫斯（Herbert E.Ives）在题为《质量能量关系的推导》的论文中提出彭加勒“相对论原则”的详细重建。波恩（Max Born）表示，“能量惯性定律在它的完全普遍性上是由爱因斯坦（1905年）第一个声明的”。在麦克斯韦-赫兹电磁场方程的基础上，爱因斯坦使得“如果一个物体以辐射的形式释放出能量E，那么其质量以E/c2减少”得以满足。对所有能量转换推广这一结果，爱因斯坦总结道：“一个物体的质量是它能量含量的量度。”但是爱因斯坦自己对公式m=E/c2的推导基本上是错误的，这是科学思想史上一件稀奇的事件。爱因斯坦推导的逻辑不合理性曾由艾夫斯证明。^[16]

在公式Ek=mc2-m0c2中，如果m0c2能被理解为是能量的某种形式，就像“结构能量”或“静止能量”，或者如果所有能量能被简化成运动学形式，那么质量和能量仅仅是同一物理存在的不同名称。尽管物理学至今为止仅仅能够表示辐射和动能的电磁能拥有惯性，但哲学家渴望立即推广这些结果并主张质量和能量的普遍等同。这些想法中最激动人心的部分是那些在探索宇宙统一概念模型中的一元论学派的倡议。古斯塔夫（Gustave Le Bon）在他于1905年出版的《物质革命》一书中说道：“物质到能量的非物质化”，奥利维尔（Julius von Olivier）于1906年宣称：“物体的质量同义于它的能量”。之后，贝特朗·罗素在他的著作《人类的知识：其范围和界限》中写道：“质量仅是能量的一种形式，没有理由解释为何物质不应该被分解成能量的其他形式。是能量，而不是物质，在物理学中是基础的。”^[17]

按照奥斯特瓦尔德的理解，实物意指在变化的条件下持续的一切事物。^[18]他把功作为我们碰到的第一个实物，因为功守恒定律是我们在理想力学中适用的第一个守恒定律。

奥斯特瓦尔德通过功转变为动能的案例，以及能量概念在诸如热、光、电等现象中应用的逐渐扩大，认为能量概念是一种更普遍化的概念，因为它包容所有的自然过程，并容许所有对应的值之和用守恒定律表达。它的能量守恒定律的表达为：在所有过程中，现有的能量之和仍然保持不变。^[19]他说道：“因此，只能在有限的意义上称功是实物，因为它的守恒仅仅限于完善的机械，可是我们可以无条件地称能量为实物，因为在我们知道的每一个例子中都坚持这样一个原理：任何能量从来也不消失，除非另一种能的等价量产生。从而必须把这个能量守恒定律称为物理学的基本定律。”^[20]

通过把能量概念应用到力学的划分上，奥斯特瓦尔德认为，静力学属于功的科学或位置的能量（势能）的科学，动力学则是活力的科学或运动的能量（动能）的科学。

我们知道，动能除了依赖速度外，还依赖物体的质量。质量正比于各种物体为达到相同的速度所需要的功。奥斯特瓦尔德认为，因为用合适的手段能够准确地测量功和速度，因此质量适宜于相应准确的测量。也就是说，奥斯特瓦尔德认为质量可以作为一个导出量，而非基本概念。

奥斯特瓦尔德像马赫一样反对对自然现象做力学解释，为以新现象论为基础把各种观测关联起来的科学提供一种认识论，他把唯能论与感觉论联系起来。^[21]在他1893年出版的一本很有影响的化学教科书中，他用“唯能论”的论述替代了之前的力学的描述，并且删去了像原子实体的这些“臆想的”量。按照奥斯特瓦尔德的理论，所有自然现象，最终都能够被设想为物质的运动。他说道：“给予质量和重量在空间结合存在这一概念的名称是物质。经验表明，就这些数量来说，也存在守恒定律，按照这个定律，无论在具有重量和质量的物体中可能产生什么变化，在它们的重量和质量之和方面将不会变化。”^[22]他认为，之前的科学把实物唯一地指向质量和重量，只不过是未经证明的假设，是站不住脚的。

19世纪产生了四个守恒定律，分别是动量守恒、电荷守恒、物质守恒和能量守恒。但这四种守恒是有区别的，电荷可能会在没有守恒的情况下消失，矢量动量也可能消失，而物质和能量是不会消失的。19世纪中叶后，无论是在热学、力学还是电磁学领域，能量守恒原理一直是科学家所关心的问题，直到后来爱因斯坦基于质能关系把这两个守恒归于单一的守恒原理。

用能量概念代替牛顿物理学中最基本的质量和力的概念，并用抽象的数学方法取代牛顿力学的特设概念和模型，是欧洲大陆派理想主义与英国经验主义思想在物理学上的又一次交锋融合。能量概念和其后发展起来的“场”的概念，体现了在不同的机械论立场下物理学家们对物质和空间概念的不同表达，是笛卡儿式机械论对牛顿力学的一次翻转。