Năng lượng đã tỏ ra là một đặc trưng định lượng vạn năng của chuyển động và các tương tác của bất kỳ vật thể nào, từ các đối tượng Vũ trụ đến các hạt cơ bản. Định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng không giới hạn ở chuyển động cơ học, và bởi vậy không có gì đáng ngạc nhiên khi sự mô tả các tương tác thông qua năng lượng đã tỏ ra tổng quát hơn so với sự mô tả qua lực. Chỉ trong phạm vi cơ học của Newton thôi thì không thể nói một cách tuỳ tiện là cách nào tiện hơn trong hai cách mô tả đó.
Có thể so sánh sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác với sự dịch các từ ngữ thông thường sang những ngôn ngữ khác nhau. Sự dịch làm thay đổi “vẻ bên ngoài” của từ, cách viết và cách phát âm của nó nhưng đồng thời bản thân từ ở các ngôn ngữ khác nhau đều chỉ cùng một vật. Thí dụ từ “quả trứng” trong tiếng Đức là “das Ei”, tiếng Anh là “the egg”, tiếng Pháp là “l oeuf”, v.v…
Nếu dựa vào sự so sánh này thì các lực, nói đúng hơn, giống như các thành ngữ (thí dụ,”ba hoa thiên địa”, “nơi khỉ ho cò gáy”, v.v…) mà những ý nghĩa và những sự sâu sắc đầy đủ chỉ có được trong ngôn ngữ nảy sinh ra chúng (ở đây đó là ngôn ngữ học), song chúng sẽ trở thành vô nghĩa khi dịch nguyên từ sang những ngôn ngữ khác. Giờ đây ta thấy buồn cười là lúc đầu khi thuật ngữ “năng lượng” chưa được công nhận để ký hiệu một đại lượng vật lý mà người ta lại cứ sử dụng từ lực. Công trình “Về sự bảo toàn lực” là công trình của Helmholtz người mà tên tuổi (cùng với Mayer và Joule) được gắn liền với sự phát minh ra định luật bảo toàn năng lượng. Mayer viết: “Một khi đã cho từ lực có hai nghĩa thì sau đó ý định phân biệt chúng trong mọi trường hợp riêng sẽ là vô ích”. Mayer hầu như cả cuộc đời mình nhất quyết cho rằng chỉ nên dùng từ lực để chỉ cái mà bây giờ chúng ta gọi là năng lượng. Dễ dàng hình dung được khi đó “sự pha trộn hỗn độn các ngôn ngữ ” sẽ như thế nào.
Vì khái niệm năng lượng có tính phổ biến lớn, cho nên không thể không xảy ra sự lấn át dần dần của cách mô tả theo năng lượng đối với cách mô tả theo năng lượng đối với cách mô tả theo lực.
Khi các định luật của Newton tuyên bố bãi công
Chính khái niệm lực có ý nghĩa định lượng chính xác chỉ trong cơ học, còn khái niệm năng lượng lại bao quát những quá trình có bản chất bất kỳ: tồn tại nhiệt năng, năng lượng điện từ, năng lượng hạt nhân v.v… Cách mô tả chuyển động của Newton thích hợp cho các trường hợp, khi những lực tương đối đơn giản gây ra những chuyển động có thể rất phức tạp. Chẳng hạn như lực vạn vật hấp dẫn được biểu hiện khá đơn giản, nhưng lại tạo ra những quỹ đạo rất phức tạp của các hành tinh nếu tính tới không chỉ sức hút của các hành tinh về phía Mặt Trời mà tới cả các ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau giữa chúng. Bây giờ hãy thử hình dung rằng bạn cần phải chuyển từ chỗ mô tả chuyển động của một số ít vật thể sang nghiên cứu hàng trăm, nghìn, triệu… các hạt. Tất nhiên có thể tự an ủi bằng ảo tưởng là “về nguyên tắc” cơ học Newton có thể mô tả hoàn toàn chính xác cả những hệ như vậy, nghĩa là có thể xác định được vị trí và tốc độ của bất kỳ hạt nào trong mọi thời điểm. Song thực tế, nói chung, ở đây phương pháp cơ học đã mất ý nghĩa. Chính việc xây dựng bài toán một cách chính xác (nghĩa là xác định vị trí và tốc độ ban đầu của các hạt, đồng thời cho trước các lực tương tác giữa chúng) không đơn giản hơn cách giải quyết nó. Và thực tế sự diễn biến của tập hợp một số lượng lớn các hạt nhân theo những loại định luật mới, không quy về cơ học được. Đó là những định luật của vật lý thống kê.
Tổng các lực trong cốc nước
Trong vật lý thống kê ngay từ đầu người ta bác bỏ ý định theo dõi chuyển động của từng hạt riêng mà xét ngay trạng thái trung bình của một tập hợp lớn các hạt. Vì năng lượng được bảo toàn nên chúng ta hoàn toàn có thể nói tới năng lượng trung bình của các hạt trong hệ. Nhưng lực tương tác trung bình của các hạt với nhau không bảo toàn và khái niệm này đối với một tập hợp lớn các hạt sẽ không còn có ý nghĩa nữa.
Các lực tương tác giữa các cặp hạt trong hệ có giá trị như nhau và có hướng ngược nhau. Bởi vậy tổng toàn bộ các lực tác dụng bên trong hệ, nói chung, bằng không. Chỉ có thể nói tới lực trung bình mà hệ (khí trong xi lanh chẳng hạn) tác dụng lên một vật thể nào đó bên ngoài (chẳng hạn, lên pittông nén khí).
Ta hãy lưu ý thêm là sự biến đổi trạng thái vật chất dưới ảnh hưởng của các tác động bên ngoài luôn luôn gắn liền với sự thay đổi năng lượng của nó. Nhưng sự thay đổi này không bằng công của các lực như trong cơ học. Ấm trà trên bếp điện sôi rất điềm nhiên mặc dù không thấy các lực và công cơ học.
Còn nữa
Cuốn sách Các lực trong tự nhiên do Đặng Văn Sử biên soạn dựa trên bản dịch của Ngô Đặng Nhân. Tác giả: V.Grigôriev và G.Miakisev. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật xuất bản năm 2002. Chúng tôi xin trích đăng cuốn sách