Lý giải định luật bảo toàn năng lượng chỉ với một đồng xu

Năng lượng là một thứ kỳ diệu, tồn tại xung quanh cuộc sống của chúng ta, từ năng lượng duy trì sự sống cho con người tới năng lượng tạo ra điện... Nhưng để trả lời năng lượng là gì thì không phải ai cũng đưa ra được câu trả lời chính xác.

Phó giáo sư vật lý Rhett Allain tại Đại học Đông Nam Louisiana đã lý giải định luật bảo toàn năng lượng thông qua câu chuyện về 3 chàng trai tên là Alby, Bobby và Cami giúp ai cũng có thể hiểu được, năng lượng là gì.

Và đây là câu chuyện của 3 chàng trai ấy:

Alby có 10 USD và quyết định đưa toàn bộ số tiền này cho hai người còn lại. Bobby nhận được 5 USD và Cami thì nhận được 4,99 USD.

Còn 1 xu thiếu đã biến đâu mất rồi. Không lẽ Alby đã làm rơi?

Thực tế, đồng xu đó vẫn tồn tại ngay cả khi Alby có làm rơi nó và tổng tiền cộng vào vẫn đủ 10 USD.

Đây cũng có thể coi là luật bảo toàn tiền bạc, dù có mua đồ chơi hay đánh rơi thì tổng tiền vẫn không đổi trước và sau sự kiện biến động mất tiền diễn ra. Tiền chỉ là công cụ con người sử dụng để so sánh và trao đổi hàng hóa thuận tiện hơn, nhưng không có tiền không được ...

Thực ra thì năng lượng cũng giống tiền. Ví dụ dưới đây sẽ cho bạn thấy rõ điều đó. Khi ấn một quả bóng vào trong một cái ống có lò xo bên trong, sẽ có 3 trạng thái diễn ra:

Năng lượng tích trữ ở lò xo khiến quả bóng bị bắn lên không. Lúc này, quả bóng có năng lượng, được gọi là động năng. Khi lên tới độ cao cao nhất mà nó có thể với tới, vận tốc của quả bóng trở về 0 và tại điểm đó, nó lại bị lực hấp dẫn kéo xuống.

Bây giờ, nếu như bạn tính năng lượng có thể có trước khi lò xo bắn quả bóng ra, giả sử số đo ấy bằng 10 Joule (J). Khi phóng ra, có thể nó chỉ còn có 9J động năng và 1J thuộc năng lượng của lực hấp dẫn do quả bóng lúc này đang ở trên cao. Khi mà quả bóng đang leo đến độ cao cao nhất, nó có ít động lượng hơn năng lượng từ lực hấp dẫn. Khi nó đã leo đến mức cao nhất, nó có đủ 10J năng lượng tiềm tàng của lực hấp dẫn.

Tổng số đo của lực luôn là một hằng số và được bảo toàn mặc dù liên tục thay đổi các loại lực khác nhau.

Và đây là một ví dụ khác, nhỏ bé hơn. Hạt nhân của một nguyên tử bao gồm các proton và các neutron. Nguyên tố carbon 14 bao gồm 6 proton và 8 neutron, nhưng nó không hoàn toàn ổn định mà sẽ bị phân rã phóng xạ, qua một quá trình mang tên phân rã beta. Kết quả tạo ra một nguyên tử nitro được gọi là nitro 14 và một electron duy nhất. Chúng đều có động lượng và được tính bằng công thứ E = mc2 nổi tiếng.

Người ta có thể dựa vào sự khác biệt của khối carbon, khối nitro trong việc phân rã để tìm ra tổng lượng năng lượng cũng như tốc độ và động năng từ các electron kia. Giả sử đó là 10J và ta có được giá trị 3,99J từ carbon, thì ta có thể có được 6J từ nitro, vậy 0,1J năng lượng không biết đi đâu mất.

Năm 1930, Wolfgang Pauli nhà vật lý học người Mỹ gốc Áo - Thụy Điển đã thực hiện một thí nghiệm và chỉ ra rằng có một hạt khác trong quá trình phân rã beta giữ chỗ năng lượng thất lạc 0,1J này, hạt đó mang tên neutrino.

Tóm lại, tổng năng lượng trước và sau khi biến cố xảy ra phải bằng nhau, nếu như có sự chênh lệch thì sẽ có một yếu tố bí ẩn gì đó mà ta chưa biết.