Năng lượng "làm bằng gì"?

Nếu không phải là một thứ gì đó, thì năng lượng là gì? Năng lượng giống như một năng lực. Năng lực ở đây là khả năng làm một việc gì đó.

Một nhạc sĩ có khả năng sáng tác nhạc, tương tự, một họa sĩ có khả năng vẽ tranh. Năng lượng là khả năng của một vật làm một việc gì đó.

Một vật làm một việc khi nó tác động một lực lên một vật thể khác, đẩy vật thể đó chuyển động theo một phương nhất định. Như thế có nghĩa là gì?

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy hình dung một người ném một quả bóng về phía bạn và bạn dùng gậy đánh vào quả bóng đó. Khi chiếc gậy đánh vào quả bóng, chiếc gậy làm thay đổi tốc độ và hướng chuyển động của quả bóng.

Năng lượng là năng lực mà chiếc gậy có để làm thay đổi hướng của quả bóng. Khi chiếc gậy vung lên, nó có thể thay đổi hướng của bất kỳ quả bóng nào nó đập vào.

Khi bạn vung chiếc gậy lên, bạn truyền năng lượng cất trong cơ bắp của bạn sang chiếc gậy. Bạn càng vung mạnh, chiếc gậy càng hoạt động mạnh và nó càng mang theo nhiều năng lượng.

Các dạng năng lượng

Có nhiều cách để một vật hoạt động, vì thế có nhiều loại năng lượng khác nhau.

Ở trên, chúng ta đã nhắc đến một loại: chuyển động vung lên của chiếc gậy. Loại năng lượng này được gọi là động năng. Đây là năng lượng mà một vật có do chuyển động của nó.

Một loại năng lượng khác là thế năng. Thế năng là khả năng một vật nào đó có để làm một việc nhờ có vị trí của nó so với các vật thể khác. Điều này có nghĩa là đặt các vật ở những vị trí nhất định sẽ mang lại cho chúng năng lượng.

Hãy cùng xem một ví dụ vui như sau: tưởng tượng rằng chúng ta để một chậu nước lên trên một cánh cửa đang khép hờ; khi ai đó đẩy cửa và bước vào, chiếc chậu sẽ rơi xuống đầu người đó.

Vì chiếc chậu đang ở trên cánh cửa, nó có thể rơi xuống. Và khi nó rơi, nó có thể gây ra một điều gì đó. Ngoài việc làm ướt người bước qua cửa, nó cũng đập vào đầu người đó. Như vậy, chiếc chậu có năng lực làm một việc gì đó chỉ vì nó nằm trên cánh cửa chứ không phải vì nó chuyển động. Năng lực đó của chiếc chậu là thế năng.

Phương trình nổi tiếng của Einstein

Nhà vật lý học uyên bác Albert Einstein đã nghĩ ra một phương trình về năng lượng mà rất có thể bạn đã biết: E=mc2.

Trong phương trình này, E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng.

Phương trình này nói lên rằng năng lượng bằng khối lượng nhân với một số nào đó. Vậy thì năng lượng không phải được tạo thành từ một thứ gì sao? Không hẳn như vậy, bởi vì một số vật không có khối lượng vẫn có thể có năng lượng. Ví dụ như ánh sáng. Chúng ta biết ánh sáng có năng lượng vì chúng ta thu năng lượng ánh sáng vào các tấm pin mặt trời và biến nó thành điện năng.

Tuy nhiên, ánh sáng được tạo ra từ các hạt vô cùng nhỏ được gọi là photon và photon không có khối lượng.

Như vậy, nếu năng lượng được tạo ra bởi khối lượng thì ánh sáng không hề có năng lượng. Điều này sẽ tạo nên một bí ẩn về năng lượng mặt trời. Nhưng hóa ra là mặc dù ánh sáng không có khối lượng nhưng nó vẫn có một thứ gọi là động lượng, cái làm cho nó có khả năng sinh công, hay làm một việc gì đó.

Khối lượng, năng lượng và động lượng

Có một phiên bản phức tạp hơn của phương trình mà nhà bác học Einstein đã nghĩ ra, cho thấy mối liên hệ giữa khối lượng và động lượng.

Một điều rất quan trọng chúng ta cần biết là ánh sáng di chuyển cực nhanh. Vì lượng năng lượng trong một vật phụ thuộc vào khối lượng của vật đó nhân với bình phương tốc độ anh sáng, nên chỉ một chút vật chất cũng mang rất nhiều năng lượng.

Chỉ mất 1 giây, ánh sáng đã đi được gần 300 triệu mét, tức là một kg khối lượng tương đương với gần 9 triệu tỷ joule (J) năng lượng, hay là con số 9 với 18 số 0 đứng sau: 9,000,000,000,000,000,000 J.

Vấn đề nằm ở chỗ làm sao giải phóng được năng lượng đó. Việc này thực sự phải cần đến cách hoạt động của những quả bom hạt nhân và năng lượng hạt nhân: chúng giải phóng năng lượng chứa đựng trong vật chất để tạo ra hiệu ứng/năng lượng vô cùng to lớn.