by 
R. Feynman
Tiếp theo phần 1 hãy cùng đến tiếp với phần 2 về Định luật bảo toàn năng lượng được phân tích ở bên dưới nhé.
Người ta dần dần đã đưa ra những định luật bảo toàn khác, bản chất cũng thế, cũng những qui tắc đếm ấy. Chẳng hạn, đã từng có một thời các nhà khoa học cho rằng, trong bất kì phản ứng nào số nguyên tử natri luôn giữ không đổi. Nhưng các nguyên tử natri đâu phải là bất biến. Có thể chuyển hoá các nguyên tử của một số nguyên tố này thành các nguyên tử của một nguyên tố khác, làm cho nguyên tố ban đầu biến mất hoàn toàn. Lại cũng có một thời có một định luật khác mà mọi người đều cho là đúng, khối lượng toàn phần của một vật là không đổi. Điều đó phụ thuộc cách anh định nghĩa khối lượng như thế nào và anh có chú ý tới năng lượng hay không. Định luật bảo toàn khối lượng chứa đựng trong định luật bảo toàn lượng mà chúng ta sắp phân tích. Trong tất cả các định luật bảo toàn, định luật này khó và trừu tượng hơn cả, song cũng có ích hơn tất cả. Hiểu nó khó hơn những định luật đã trình bày, bởi vì trong trường hợp điện tích và những trường hợp khác đã xét, cơ chế rất dễ hiểu: nhiều hay ít, chúng đều dẫn tới sự bảo toàn những vật cụ thể nào đó. Nhiều hay ít là vì có những vật thể này biến hoá thành những vật thể khác, song mặc dù thế, chung qui vẫn chỉ là sự đếm giản đơn mà thôi.
Bảo toàn năng lượng là một vấn đề phức tạp hơn: dù rằng ở đây chúng ta cũng vẫn có một số và số ấy cũng không biến đổi theo thời gian, nhưng đó lại là một số không ứng với một vật thể xác định nào.
Để làm rõ được bản chất của vấn đề, tôi xin dẫn một sự so sánh có hơi thô sơ một chút.
Hãy tưởng tượng một bà mẹ để đứa con nhỏ của mình trong phòng với 28 mẫu hình lập phương cứng, không vỡ được. Đứa trẻ chơi với chúng suốt ngày và lúc người mẹ trở về vẫn thấy mẫu lập phương là 28 như cũ – chả là bà mẹ theo dõi sự bảo toàn của các mẫu lập phương mà! Và cứ thế, ngày này qua ngày khác. Song một lần nọ, lúc trở về bà mẹ chỉ thấy vẻn vẹn có 27. Một mẫu lập phương lăn lóc bên ngoài cửa sổ – chú bé đã vứt nó ra. Xét các định luật bảo toàn, trước hết phải biết rõ có vật nào của anh đã lọt ra ngoài cửa số không đã. Một sự rắc rối đại loại như vậy cũng có thể xảy ra, nếu một chú nhóc hàng xóm khác đến chơi với chú bé mang theo những mẫu hình lập phương của riêng nó nữa. Rõ ràng là phải chú ý tới tất cả những điều đó khi xét đến các định luật bảo toàn. Lại một ngày đẹp nào đó người mẹ đếm các mẫu lập phương, thấy chỉ còn có 25 và nghĩ là 3 mẫu còn lại, chú bé đã đem giấu trong hộp đựng đồ chơi. Người mẹ liên bảo: “Tao mở hộp đây" Không- chú bé đáp – mẹ đừng mở hộp của con!"
Song người mẹ thông minh đã nhận xét: “Ta biết hộp không chỉ nặng có 50g thôi, còn mẫu lập phương nặng 100g, vậy chỉ cần đem cân là khắc biết rõ thôi mà". Sau đó, người mẹ tính số mẫu lập phương và được:
Số mẫu lập phương nhìn thấy + (Trọng lượng hộp - 50g)/100g
Và lại dúng 28. Một thời gian mọi việc đều trôi chảy, rồi lại một lúc nào đó tổng số lại chẳng phù hợp nữa rồi. Người mẹ quan sát thấy mực nước bẩn trong bình nước đã không như cũ. Bà mẹ biết nếu trong nước không có mẫu lập phương nào thì độ sâu là 15 cm và nếu cho vào một mẫu thì mực nước dâng lên thêm 0,5 cm. Vì vậy, bà đã thêm một số hạng nữa:
Số mẫu lập phương nhìn thấy + (trọng lượng hộp - 50g)/100g + (Mực nước - 15cm)/0.5cm
và lại thấy đúng 28. Chú bé lắm sáng kiến, ngày càng bày ra lắm trò và bà mẹ cũng chắng chịu thua, đã lần lượt thêm vào những số hạng mới, ứng với các mẫu lập phương, nhưng về mặt toán học, đã trở nên những con số trừu tượng, vì lẽ các mẫu lập phương đã không còn nhìn thấy được nữa.
Giờ tôi mới gắng giải thích đâu là chỗ giống nhau giữa sự bảo toàn các mẫu lập phương và năng lượng và đâu là chỗ khác nhau. Bước đầu hãy giả sử rằng trong mọi trường hợp ta đều không thể nhìn thấy được các mẫu lập phương. Số hạng “số mẫu lập phương nhìn thấy không bao giờ còn có nữa. Bấy giờ người mẹ sẽ cộng rất nhiều số hạng như “Các mẫu trong hộp", "các mẫu trong nước",...
Các mẫu năng lượng, trong chừng mực chúng ta đã biết, nói chung không có. Ngoài ra, khác với các mẫu hình lập phương, lượng năng lượng không nhất thiết phải được biểu diễn bằng một số nguyên. Người mẹ đáng thương kia có thể tìm thấy 6 mẫu hình lập phương trong một số hạng, 7/8 trong số hạng khác, 21 trong số hạng thứ ba, và cuối cùng vẫn có tổng số 28 như cũ. Đấy, năng lượng nó như vậy đấy.
Chúng ta đã thấy, đối với định luật bảo toàn năng lượng, chúng ta có một sơ đồ với toàn bộ các qui tắc. Theo mỗi qui tắc, ta có thể tính trị của một dạng năng lượng. Nếu ta cộng tất cả các trị tương ứng với các dạng năng lượng khác nhau, thì tổng của chúng luôn luôn vẫn giữ nguyên. Song trong chừng mực chúng ta biết được hiện nay, không tồn tại những hạt năng lượng - có dạng hình lập phương hay dạng hình cầu có thật. Đó là một qui tắc trừu tương, thuần tuý toán học, có tồn tại một số, nó luôn không đổi vì ta tính nó bất cứ lúc nào. Giải thích một cách dễ hiểu hơn nữa, tôi thật không có khả năng.
Năng lượng tồn tại dưới mọi dạng có thể, giống như các mẫu lập phương trong hộp, trong bình nước, Có năng lượng gắn liền với chuyển động (động năng); có năng lượng gắn liền với tương tác hấp dẫn (gọi là thế năng hấp dẫn); có năng lượng nhiệt, điện và ánh sáng, có năng lượng đàn hồi trong các lò xo, có năng lượng hoá học, có năng lượng hạt nhân và cuối cùng năng lượng gắn liền với lý do tồn tại của hạt - năng lượng này tỉ lệ với khối lượng của hạt. Năng lượng này, như anh đã biết, chính Einstein đã phát hiện ra nó. Tôi muốn nói tới hệ thức nổi tiếng của Einstein E = mc2.
Như vậy, tồn tại rất nhiều dạng năng lượng, và chúng có mối quan hệ qua lại như thế nào, đó là vấn đề không phải chúng ta hoàn toàn không biết. Chẳng hạn như thứ mà chúng ta gọi là nhiệt năng, chủ yếu chỉ là động năng chuyển động của các hạt trong vật thế. Năng lượng đàn hồi và hoá năng có cùng một nguồn gốc – lực tương tác giữa các nguyên tử. Khi các nguyên tử được sắp xếp lại theo một trật tự khác thì năng lượng biến thiên mà khi đại lượng này biến thiên thi một đại lượng nào đó phải thay đổi theo. Thí dụ như đốt một cái gì đó, thì hoá năng biến đổi và ta thu được nhiệt ở một nơi nào đó mà trước đây chưa có, vì lẽ tổng năng lượng phải giữ nguyên. Năng lượng đàn hồi và hoá năng, cả hai đều liên quan tới tương tác các nguyên tử và hiện nay chúng ta biết rằng các tương tác ấy là tổ hợp của hai cái này: điện năng và lại động năng nữa, nhưng lần này công thức động năng lại nằm trong cơ học lượng tử. Năng lượng ánh sáng chính là điện năng bởi vì ngày nay ánh sáng chẳng qua là sóng điện từ mà thôi. Năng lượng hạt nhân không thể biểu diễn qua các dạng năng lượng khác, bây giờ tôi chỉ có thể nói nó là kết quả của các lực hạt nhân. Tôi không chỉ muốn nói tới sự giải phóng năng lượng. Trong hạt nhân urani có chứa đựng một lượng năng lượng xác định và khi phân rã hạt nhân, năng lượng còn lại trong hạt nhân giảm đi, song năng lượng toàn phần trong Vũ trụ vẫn giữ nguyên, cho nên đã sinh ra nhiều nhiệt và nhiều hạt mới.
Định luật bảo toàn nói trên có nhiều ý nghĩa về mặt phương pháp. Tôi xin dẫn một vài thí dụ đơn giản để chứng minh rằng: khi biết định luật bảo toàn năng lượng và các công thức tính năng lượng, ta có thể hiểu rõ các định luật khác. Nói khác đi, nhiều định luật không phải là độc lập, mà nó chỉ là các cách diễn đạt khác nhau của định luật bảo toàn năng lượng. Đơn giản hơn cả là qui tắc đòn bẩy.
Trên gối tựa, đặt một đòn bẩy. Độ dài của một cánh tay đòn là 1m và của cánh tay dòn kia là 4m.
Trước hết, hãy nhắc lại về năng lượng hấp dẫn: nếu ta có vài vật nặng, ta sẽ lấy trọng lượng của mỗi vật nhân với độ cao kể từ mặt đất, cộng tất cả lại ta sẽ được năng lượng hấp dẫn toàn phần. Giả sử trên cánh tay dài có vật nặng 2kg và trên cánh tay ngắn có một vật nặng x bí mật chưa biết; x luôn luôn không biết, vì vậy ta hãy gọi nó bằng W làm như là ta đã biết nó rồi. Câu hỏi là: vật nặng W phải bằng bao nhiêu để có cân bằng, để cho đòn bẩy chỉ đung đưa nhẹ nhàng chứ không đổ? Nó đung đưa nhẹ nhàng thì điều đó có nghĩa là năng lượng vẫn giữ nguyên, khi đòn bấy nằm ngang cũng như khi nó nghiêng thế nào để vật nặng 2 kg được nâng lên 2 cm chẳng hạn. Khi một năng lượng giữ nguyên thì đòn bẩy có thể ở bất kì vị trí nào mà vẫn không đổ. Nếu vật nặng 2 kg được nâng lên 2 cm, thì vật nặng W sẽ tụt xuống bao nhiêu? Hình vẽ cho thấy rõ ràng nếu OA = 1m, còn OB = 4m thì lúc BB1 = 2cm đoan AA1 sẽ bằng 0,5 cm. Giờ ta hãy ứng dụng định luật cho năng lượng hấp dẫn. Ban đầu cả hai độ cao BB1 và AA1 bằng không và năng lượng toàn phần bằng không. Để tìm được năng lượng của đòn bẩy lệch, ta nhân trọng lượng 2 kg với độ cao 2 cm và cộng với trọng lượng chưa biết W nhân cho độ cao 0,5 cm. Tổng phải cho trị cũ của năng lượng là không. Vì vậy: 2-W/4=0, từ đó W=8
Đó là một trong các phương pháp để hiểu một định luật đơn giản mà ta đều biết rõ: qui tắc đòn bẩy. Song điều hay là không chỉ riêng định luật ấy mà, mà hàng trăm định luật khác có thể liên hệ chặt chẽ với các dạng khác nhau của năng lượng. Tôi dẫn ra thí dụ trên chỉ để thấy định luật bảo toàn năng lượng có ích như thế nào.
Nhưng điều tai hoạ là trong thực tế nó không được nghiệm đúng vì có ma sát của gối tựa. Nếu có một vật nào đó chuyển động, một quả cầu lăn trên một mặt phẳng ngang chẳng hạn, thì sớm hay muộn ma sát sẽ làm nó dừng lại. Động năng của quả cầu đi đâu? Năng lượng chuyển động của quả cầu đã chuyển thành năng lượng dao động của các nguyên tử của mặt sàn và quả cầu. Thế giới, nếu ta nhìn được nó từ xa, nó sẽ có vẻ là một quả cầu tròn trĩnh, trơn tru, bóng lộn, song nếu nhìn gần thì thấy nó rất phức tạp: hằng triệu triệu nguyên tử tí hon, mọi vẻ sần sùi có thể có! Nó giống như một bãi cát thô dưới chân anh, bởi vì nó gồm những quả cầu tí hon đó. Mặt sàn cũng thế - đó là một con đường gồ ghề, đầy rẫy những quả cầu con. Nếu anh cho lăn một hòn sỏi to trên bãi cát, anh sẽ thấy các hạt cát - những nguyên tử tí hon nhảy nhót lên. Khi quả cầu đã lăn qua rồi, các nguyên tử phía sau vẫn tiếp tục rung dộng do những va chạm đã gặp. Như vậy trên mặt sàn còn lại nhiệt năng, còn lại dao động của các nguyên tử. Mới nhìn, tưởng là định luật bảo toàn năng lượng không đúng, bởi vì năng lượng đã lẩn chốn và chúng ta phải dùng nhiệt kế và những dụng cụ khác mới phát hiện được nó. Song quá trình xảy ra dù có phức tạp như thế nào, chúng ta vẫn luôn luôn thấy năng lượng bảo toàn, ngay cả khi chúng ta chưa biết những định luật khác, chi tiết hơn.
Lần đầu tiên chứng minh cho định luật bảo toàn năng lượng không phải là một nhà vật lý, mà là một thầy thuốc. Ông đã làm thí nghiệm với chuột. Nếu ta đốt thức ăn, ta có thể biết bao nhiêu nhiệt toả ra.
Nếu ta cho chuột ăn lương thức ăn đó, thì thức ăn sẽ cùng với oxi chuyển hoá thành khí cacbonic giống như lúc đốt cháy. Đo năng lượng trong hai trường hợp, anh sẽ thấy điều xảy ra trong cơ thể sống cũng giống như trong giới vô cơ. Sự sống sẽ tuân theo định luật bảo toàn năng lượng như những hiện tượng khác. Cần nói thêm rằng, mọi định luật hay nguyên lý đúng trong thế giới vô cơ, vẫn đúng trong các hiện tượng diệu kì của sự sống. Về mặt định luật vật lý, đến nay vẫn không thấy một sự khác biệt nào giữa các vật vô cơ với các sinh vật, mặc dù các sinh vật được cấu tạo phức tạp hơn nhiều.
Lượng năng lượng trong thức ăn cho biết thức ăn đó có thể cung cấp bao nhiêu nhiệt, bao nhiêu công cơ học, v... Người ta đo lường đại lượng đó bằng calo. Khi nói tới số calo trong thức ăn, thì điều đó có nghĩa là chúng ta đã ăn những calo đó – chúng chỉ là số đo nhiệt lượng chứa đựng trong thức ăn.
Những nhà vật lý có khi nhìn những người khác một cách trịch thượng và tự cho mình là khôn ngoan đến mức mà thiên hạ cứ muốn vạch ra sai lầm cho họ bõ ghét. Đây, tôi sẽ chộp sai lâm của họ cho mà xem. Họ sẽ phải xấu hổ vì điều này: để đo năng lượng họ đã phải dùng quá nhiều phương pháp và tên gọi. Năng lượng đo bằng calo, bằng ec, bằng êlêctrôn – vôn, bằng kilôgam – mét, bằng đơn vị Anh của nhiệt, bằng jun, bằng kilowatt – giờ; đấy, cùng một đại lượng, bấy nhiêu phép đo! Như vậy có phải là điều vô nghĩa không? Điều đó cũng giống như tiền bạc có thể tính bằng đôla bằng steclinh,... song điều khác nhau là trong kinh tế thì giá trị hối đoái của đồng này so với đồng khác có thể lúc lên, lúc xuống, còn tỉ lệ của các đơn vị trên bao giờ cũng giữ nguyên. Nếu cần tìm một sự giống nhau, có chăng là giữa đồng sinlinh và đồng steclinh: mỗi steclinh bao giờ cũng ăn 20 sinlinh. Nhưng một trong những điều rắc rối là các nhà vật lý tự cho phép mình dùng những tỉ số vô tỉ ví dụ như 1183178 sinlinh trong một steclinh thay cho những con số tròn đại loại như 20 chẳng hạn. Anh có thể nghĩ rằng, ít ra thì những nhà vật lý lý thuyết hiện đại cỡ lớn nhất phải công nhận một đơn vị chung mới phải chứ ? Nhưng hãy liếc mắt xem các bài báo của họ: đấy năng lượng lại được đo bằng độ Kelvin, bằng mêgahec, và bây giờ lại đo bằng fecmi đảo ngược nữa - sáng tác mới nhất đấy! Nếu ai muốn có một sự chứng minh rằng các nhà vật lý không phải là không có các nhược điểm của con người, thì trên đây là một: sự thừa thãi ngu xuẩn của các đơn vị để đo năng lượng.
Nhiều hiện tượng tự nhiên đã đề ra cho chúng ta những điều bí ẩn lý thú, có liên quan tới năng lượng. Gần đây đã khám phá ra những thực thể gọi là quasar. Chúng ở rất xa chúng ta những khoảng cách khổng lồ, nó bức xạ năng lượng dưới dạng ánh sáng và sóng điện từ nhiều tới mức ta phải đặt câu hỏi năng lượng ấy lấy ở đâu ra? Nếu năng lượng được bảo toàn thì trạng thái của các quasar, sau khi đã bức xạ một lượng năng lượng quá sức tưởng tượng như vậy, sẽ phải khác trước. Vấn đề là: hấp dẫn có phải là nguồn của năng lượng, - có phải là đã xây ra sự chuyển hoá từ một trạng thái hấp dẫn này sang một trạng thái hấp dẫn khác trong quasar không? Hay năng lượng hạt nhân đã gây ra sự bức xạ vô cùng mạnh mẽ đó? Chưa ai biết. Anh sẽ bảo: “A! có lẽ định luật bảo toàn năng lượng không đúng?" Không, khi một hiện tượng nghiên cứu còn ít – như quasar (các quasar rất xa, xa đến mức các nhà thiên văn cũng phải khó khăn mới nhìn được chúng) - mà thấy hình như có mâu thuẫn với các định luật cơ bản, thì thường không phải là định luật sai, mà đơn giản là chúng ta chưa biết hiện tượng một cách đầy đủ.
Một thí dụ lý thú khác về ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng: phản ứng phân rã nơtrôn ra prôtôn, êlectrôn và phản nơtrinô. Thoạt nhiên người ta cho rằng nơtron đã biến thành prôtôn và electron. Song khi đo năng lượng của tất cả các hạt lại thấy năng lượng prôtôn và èléctrón bé hơn năng lượng nơtrôn. Có thể có hai cách giải thích.
Cách giải thích đầu tiên cho rằng định luật bảo toàn năng lượng không đúng. Bohr đưa ra một giả thiết rằng định luật bảo toàn năng lượng chỉ đúng một cách trung bình, một cách thống kê mà thôi. Song hiện nay rõ ràng cách giải thích khác mới đúng: năng lượng không ăn khớp vì trong phản ứng đã xuất hiện một hạt nào đấy nữa, hạt mà bây giờ chúng ta gọi là phản nơtrinô. Phản nơtrinô mang theo nó một phần năng lượng.
Anh sẽ bảo: đó chẳng qua là bịa ra phản nơtrinô để cứu vớt lấy định luật bảo toàn năng lượng. Nhưng nó đã cứu vớt cả rất nhiều định luật khác như định luật bảo toàn động lượng - và rất gần đây chúng ta đã có những bằng chứng trực tiếp rằng phản notrinô tồn tại thực sự.
Thí dụ trên rất hùng hồn. Vì sao ta lại có thể mở rộng các định luật của mình vào những lĩnh vực chưa được nghiên cứu tỉ mỉ? Tại sao ta lại có thể chắc chắn rằng một hiện tượng mới nào đó tuân theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu như chúng ta đã kiếm nghiệm nó dù chỉ là trong những hiện tượng đã biết ? Có những lúc nào đó, anh đọc thấy trên báo chí nói rằng các nhà vật lý đã xác nhận sự sai lầm của một trong những định luật yêu quí của họ. Như vậy, phải chăng không nên bảo rằng định luật nghiệm đúng cả trong lĩnh vực mà chúng ta chưa biết tới?
Nhưng nếu anh không bao giờ nói rằng định luật nghiệm đúng cả trong những lĩnh vực mà anh chưa biết thì anh sẽ không biết được gì hết. Nếu anh chỉ thừa nhận định luật trong phạm vi các thí nghiệm đã làm mà thôi, anh sẽ không bao giờ dự đoán được điều gì cả. Điều có ích duy nhất của khoa học là nó giúp chúng ta nhìn tới phía trước, xây dựng những dự đoán. Vì vậy, chúng ta mãi mãi đi tới, cổ cứ dài mãi ra. Còn năng lượng có lẽ nó được bảo toàn cả ở những nơi khác.
Vì thế khoa học không phải là hoàn mĩ. Khi anh nói một điều gì về một lĩnh vực thực nghiệm mà anh sẽ mất lòng tin. Song chúng ta bắt buộc phải nói tới những lĩnh vực mà chúng ta chưa hề nhìn thấy, nếu không thế, thì khoa học chẳng để làm gì cả.
Chẳng hạn, lúc vật chuyển động, khối lượng của nó thay đổi vì năng lượng phải được bảo toàn. Do sự tương tác giữa khối lượng và năng lượng, năng lượng - gắn liền với chuyển động - sẽ xuất hiện như một khối lượng bổ sung. Khi chuyển động, vật trở nên "nặng" hơn. Newton đã quan niệm khác. Ông cho rằng khối lượng không đối. Khi phát hiện ra quan niệm ấy của Newton là sai lầm, tất cả đều nói "Trời ơi! Thật kinh khủng ! Các nhà vật lý đã phát hiện ra sai lầm của chính họ ! Hừ! Không hiểu trước đây tại sao họ cứ nghĩ là họ đúng ?". Hiệu ứng ấy rất bé và chỉ bộc lộ khi vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi anh quay con quay, thì trọng lượng của nó vẫn như lúc nó đứng yên, với độ chính xác tới một phần số rất bé. Bay giờ họ sẽ phải nói thế này: "Nếu vận tốc chưa vượt tới một trị số nào đó, thì khối lượng con quay không đổi". Tất cả đều sẽ rõ ràng, có phải thế không ? Không. Nếu chỉ thí nghiệm với con quay bằng gỗ, bằng đồng và bằng sắt, thì phải nói thế này này: “Khi con quay bằng gỗ, bằng đồng và bằng sắt quay không nhanh quá một vận tốc nào đó..." Anh thấy đấy, chúng ta không biết được hết các điều kiện cần thiết cho thí nghiệm. Ta không biết khối lượng của con quay phóng xạ có được bảo toàn không. Vì vậy, nếu chúng ta muốn từ khoa học rút ra cái gì đó có ích, thì ta phải xây dựng các dự đoán. Muốn cho khoa học không biến thành những thủ tục đơn giản của các thí nghiệm đã tiến hành, chúng ta phải đề ra những định luật bao quát tới những chân trời xa lạ chưa từng biết. Ở đây chẳng có gì là ngu ngốc cả, chỉ do khoa học chưa hoàn mĩ mà thôi. Nếu anh nghĩ rằng khoa học phải hoàn mĩ - anh nhầm đấy.
Trong chừng mực chúng ta biết, năng lượng được bảo toàn một cách chính xác. Năng lượng không có đơn vị nguyên tố. Còn điều này nữa: nó có phải là nguồn của trường không? Có. Einstein đã cho rằng năng lượng sinh ra hấp dẫn. Năng lượng tương đương với khối lượng và vì vậy ý nghĩ của Newton cho rằng khối lượng sinh ra hấp dẫn, đã trở thành một khắng định: năng lượng sinh ra hấp dẫn.
Đón xem tiếp phần 3 về Định luật bảo toàn moomen động lượng, cũng đồng thời là phần kết của bài viết này tại đây
Lần đầu tiên chứng minh cho định luật bảo toàn năng lượng không phải là một nhà vật lý, mà là một thầy thuốc. Ông đã làm thí nghiệm với chuột. Nếu ta đốt thức ăn, ta có thể biết bao nhiêu nhiệt toả ra.
Nếu ta cho chuột ăn lương thức ăn đó, thì thức ăn sẽ cùng với oxi chuyển hoá thành khí cacbonic giống như lúc đốt cháy. Đo năng lượng trong hai trường hợp, anh sẽ thấy điều xảy ra trong cơ thể sống cũng giống như trong giới vô cơ. Sự sống sẽ tuân theo định luật bảo toàn năng lượng như những hiện tượng khác. Cần nói thêm rằng, mọi định luật hay nguyên lý đúng trong thế giới vô cơ, vẫn đúng trong các hiện tượng diệu kì của sự sống. Về mặt định luật vật lý, đến nay vẫn không thấy một sự khác biệt nào giữa các vật vô cơ với các sinh vật, mặc dù các sinh vật được cấu tạo phức tạp hơn nhiều.
Lượng năng lượng trong thức ăn cho biết thức ăn đó có thể cung cấp bao nhiêu nhiệt, bao nhiêu công cơ học, v... Người ta đo lường đại lượng đó bằng calo. Khi nói tới số calo trong thức ăn, thì điều đó có nghĩa là chúng ta đã ăn những calo đó – chúng chỉ là số đo nhiệt lượng chứa đựng trong thức ăn.
Những nhà vật lý có khi nhìn những người khác một cách trịch thượng và tự cho mình là khôn ngoan đến mức mà thiên hạ cứ muốn vạch ra sai lầm cho họ bõ ghét. Đây, tôi sẽ chộp sai lâm của họ cho mà xem. Họ sẽ phải xấu hổ vì điều này: để đo năng lượng họ đã phải dùng quá nhiều phương pháp và tên gọi. Năng lượng đo bằng calo, bằng ec, bằng êlêctrôn – vôn, bằng kilôgam – mét, bằng đơn vị Anh của nhiệt, bằng jun, bằng kilowatt – giờ; đấy, cùng một đại lượng, bấy nhiêu phép đo! Như vậy có phải là điều vô nghĩa không? Điều đó cũng giống như tiền bạc có thể tính bằng đôla bằng steclinh,... song điều khác nhau là trong kinh tế thì giá trị hối đoái của đồng này so với đồng khác có thể lúc lên, lúc xuống, còn tỉ lệ của các đơn vị trên bao giờ cũng giữ nguyên. Nếu cần tìm một sự giống nhau, có chăng là giữa đồng sinlinh và đồng steclinh: mỗi steclinh bao giờ cũng ăn 20 sinlinh. Nhưng một trong những điều rắc rối là các nhà vật lý tự cho phép mình dùng những tỉ số vô tỉ ví dụ như 1183178 sinlinh trong một steclinh thay cho những con số tròn đại loại như 20 chẳng hạn. Anh có thể nghĩ rằng, ít ra thì những nhà vật lý lý thuyết hiện đại cỡ lớn nhất phải công nhận một đơn vị chung mới phải chứ ? Nhưng hãy liếc mắt xem các bài báo của họ: đấy năng lượng lại được đo bằng độ Kelvin, bằng mêgahec, và bây giờ lại đo bằng fecmi đảo ngược nữa - sáng tác mới nhất đấy! Nếu ai muốn có một sự chứng minh rằng các nhà vật lý không phải là không có các nhược điểm của con người, thì trên đây là một: sự thừa thãi ngu xuẩn của các đơn vị để đo năng lượng.
Nhiều hiện tượng tự nhiên đã đề ra cho chúng ta những điều bí ẩn lý thú, có liên quan tới năng lượng. Gần đây đã khám phá ra những thực thể gọi là quasar. Chúng ở rất xa chúng ta những khoảng cách khổng lồ, nó bức xạ năng lượng dưới dạng ánh sáng và sóng điện từ nhiều tới mức ta phải đặt câu hỏi năng lượng ấy lấy ở đâu ra? Nếu năng lượng được bảo toàn thì trạng thái của các quasar, sau khi đã bức xạ một lượng năng lượng quá sức tưởng tượng như vậy, sẽ phải khác trước. Vấn đề là: hấp dẫn có phải là nguồn của năng lượng, - có phải là đã xây ra sự chuyển hoá từ một trạng thái hấp dẫn này sang một trạng thái hấp dẫn khác trong quasar không? Hay năng lượng hạt nhân đã gây ra sự bức xạ vô cùng mạnh mẽ đó? Chưa ai biết. Anh sẽ bảo: “A! có lẽ định luật bảo toàn năng lượng không đúng?" Không, khi một hiện tượng nghiên cứu còn ít – như quasar (các quasar rất xa, xa đến mức các nhà thiên văn cũng phải khó khăn mới nhìn được chúng) - mà thấy hình như có mâu thuẫn với các định luật cơ bản, thì thường không phải là định luật sai, mà đơn giản là chúng ta chưa biết hiện tượng một cách đầy đủ.
Một thí dụ lý thú khác về ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng: phản ứng phân rã nơtrôn ra prôtôn, êlectrôn và phản nơtrinô. Thoạt nhiên người ta cho rằng nơtron đã biến thành prôtôn và electron. Song khi đo năng lượng của tất cả các hạt lại thấy năng lượng prôtôn và èléctrón bé hơn năng lượng nơtrôn. Có thể có hai cách giải thích.
Cách giải thích đầu tiên cho rằng định luật bảo toàn năng lượng không đúng. Bohr đưa ra một giả thiết rằng định luật bảo toàn năng lượng chỉ đúng một cách trung bình, một cách thống kê mà thôi. Song hiện nay rõ ràng cách giải thích khác mới đúng: năng lượng không ăn khớp vì trong phản ứng đã xuất hiện một hạt nào đấy nữa, hạt mà bây giờ chúng ta gọi là phản nơtrinô. Phản nơtrinô mang theo nó một phần năng lượng.
Anh sẽ bảo: đó chẳng qua là bịa ra phản nơtrinô để cứu vớt lấy định luật bảo toàn năng lượng. Nhưng nó đã cứu vớt cả rất nhiều định luật khác như định luật bảo toàn động lượng - và rất gần đây chúng ta đã có những bằng chứng trực tiếp rằng phản notrinô tồn tại thực sự.
Thí dụ trên rất hùng hồn. Vì sao ta lại có thể mở rộng các định luật của mình vào những lĩnh vực chưa được nghiên cứu tỉ mỉ? Tại sao ta lại có thể chắc chắn rằng một hiện tượng mới nào đó tuân theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu như chúng ta đã kiếm nghiệm nó dù chỉ là trong những hiện tượng đã biết ? Có những lúc nào đó, anh đọc thấy trên báo chí nói rằng các nhà vật lý đã xác nhận sự sai lầm của một trong những định luật yêu quí của họ. Như vậy, phải chăng không nên bảo rằng định luật nghiệm đúng cả trong lĩnh vực mà chúng ta chưa biết tới?
Nhưng nếu anh không bao giờ nói rằng định luật nghiệm đúng cả trong những lĩnh vực mà anh chưa biết thì anh sẽ không biết được gì hết. Nếu anh chỉ thừa nhận định luật trong phạm vi các thí nghiệm đã làm mà thôi, anh sẽ không bao giờ dự đoán được điều gì cả. Điều có ích duy nhất của khoa học là nó giúp chúng ta nhìn tới phía trước, xây dựng những dự đoán. Vì vậy, chúng ta mãi mãi đi tới, cổ cứ dài mãi ra. Còn năng lượng có lẽ nó được bảo toàn cả ở những nơi khác.
Vì thế khoa học không phải là hoàn mĩ. Khi anh nói một điều gì về một lĩnh vực thực nghiệm mà anh sẽ mất lòng tin. Song chúng ta bắt buộc phải nói tới những lĩnh vực mà chúng ta chưa hề nhìn thấy, nếu không thế, thì khoa học chẳng để làm gì cả.
Chẳng hạn, lúc vật chuyển động, khối lượng của nó thay đổi vì năng lượng phải được bảo toàn. Do sự tương tác giữa khối lượng và năng lượng, năng lượng - gắn liền với chuyển động - sẽ xuất hiện như một khối lượng bổ sung. Khi chuyển động, vật trở nên "nặng" hơn. Newton đã quan niệm khác. Ông cho rằng khối lượng không đối. Khi phát hiện ra quan niệm ấy của Newton là sai lầm, tất cả đều nói "Trời ơi! Thật kinh khủng ! Các nhà vật lý đã phát hiện ra sai lầm của chính họ ! Hừ! Không hiểu trước đây tại sao họ cứ nghĩ là họ đúng ?". Hiệu ứng ấy rất bé và chỉ bộc lộ khi vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi anh quay con quay, thì trọng lượng của nó vẫn như lúc nó đứng yên, với độ chính xác tới một phần số rất bé. Bay giờ họ sẽ phải nói thế này: "Nếu vận tốc chưa vượt tới một trị số nào đó, thì khối lượng con quay không đổi". Tất cả đều sẽ rõ ràng, có phải thế không ? Không. Nếu chỉ thí nghiệm với con quay bằng gỗ, bằng đồng và bằng sắt, thì phải nói thế này này: “Khi con quay bằng gỗ, bằng đồng và bằng sắt quay không nhanh quá một vận tốc nào đó..." Anh thấy đấy, chúng ta không biết được hết các điều kiện cần thiết cho thí nghiệm. Ta không biết khối lượng của con quay phóng xạ có được bảo toàn không. Vì vậy, nếu chúng ta muốn từ khoa học rút ra cái gì đó có ích, thì ta phải xây dựng các dự đoán. Muốn cho khoa học không biến thành những thủ tục đơn giản của các thí nghiệm đã tiến hành, chúng ta phải đề ra những định luật bao quát tới những chân trời xa lạ chưa từng biết. Ở đây chẳng có gì là ngu ngốc cả, chỉ do khoa học chưa hoàn mĩ mà thôi. Nếu anh nghĩ rằng khoa học phải hoàn mĩ - anh nhầm đấy.
Trong chừng mực chúng ta biết, năng lượng được bảo toàn một cách chính xác. Năng lượng không có đơn vị nguyên tố. Còn điều này nữa: nó có phải là nguồn của trường không? Có. Einstein đã cho rằng năng lượng sinh ra hấp dẫn. Năng lượng tương đương với khối lượng và vì vậy ý nghĩ của Newton cho rằng khối lượng sinh ra hấp dẫn, đã trở thành một khắng định: năng lượng sinh ra hấp dẫn.
Đón xem tiếp phần 3 về Định luật bảo toàn moomen động lượng, cũng đồng thời là phần kết của bài viết này tại đây
0 Comments: