L ỜI NÓI ĐẦU CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG
11. Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng chỉ là “ảo giác”*
Có một vấn đề không thể không đề cập đến, đó là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng – vốn được coi như một trong những quy luật nền tảng của vật lý học. Tuy nhiên, đối với cơ học Newton, năng lượng được coi là bảo toàn chỉ bao gồm động năng và thế năng; còn đối với cơ học Einstein, có thêm thành phần nội năng nhưng lại biến mất thành phần thế năng. Kết quả là cái được bảo toàn chưa hề là năng lượng toàn phần của thực thể vật lý – điều này có khác
Hãy bắt đầu từ cơ năng của một vật thể trong trường lực thế, theo ngôn ngữ của cơ học Newton, là tổng của động năng và thế năng:
Wc = K+U . (P11.1) Nhưng thế năng hấp dẫn lại quy ước luôn mang dấu (–) vì các vật thể hút nhau, mà động năng lại luôn (+) nên:
R mV W h c α − = 2 2 . (P11.2) Các biểu thức này được áp dụng cho mọi trường hợp của cơ học Newton. Và hơn thế nữa, nếu 2 vật thể là một hệ kín thì cái gọi là “cơ năng” xác định theo (P11.1) được xem như là đại lượng phải được bảo toàn (theo “định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng”).
Ta thử xem xét kỹ lại trước hết là đối với chuyển động rơi tự do. Cái được gọi là “cơ năng” theo biểu thức (P11.2) về thực chất chỉ là sự chênh lệch của thế năng (của trường lực thế) và động năng do nó sinh ra và vì vậy, nếu cho rằng năng lượng không bị thất thoát trong quá trình chuyển hóa từ thế năng thành động năng thì đương nhiên hiệu số này phải là hằng số. Nhưng việc nó là hằng số là một chuyện, còn nó có đúng là cơ năng hay không lại là chuyện khác. Giá như không áp đặt dấu cho thế năng (<0) mà chỉ dừng lại ở biểu thức (P11.1) thì khái niệm “cơ năng” còn có thể chấp nhận được với nghĩa là năng lượng đặc trưng cho trạng thái cơ học của vật thể. Tuy nhiên, khi quy định dấu cho một đại lượng, về thực chất, đã quy định chiều cho đại lượng đó: động năng và thế năng có chiều ngược nhau. Nhưng như thế có khác gì thừa nhận cơ năng là đại lượng véc tơ mà không phải là đại lượng vô hướng cho dù là chỉ có 2 hướng cực đoan: >0 hay <0? – Một sự thiếu nhất quán! Song, một khi đã nói đến hướng thì động năng trong công thức (P11.1) lại phải có hướng trùng với hướng của thế năng mới phải lẽ, vì vận tốc chuyển động của các vật thể luôn hướng về phía nhau, cùng với hướng của lực
trường thế - kết quả của thế năng này? Vì vậy, biểu thức (P11.2) không hề là cơ năng của vật thể. Có thể lấy ví dụ về trường hợp khi 2 vật thể ở xa nhau vô hạn, thế năng ~0 và động năng ban đầu =0, tức là hiệu (P11.2) ~0, thì trong suốt quá trình rơi tự do về phía nhau, hiệu này luôn luôn =0 chẳng phải là điều gì lạ – toàn bộ thế năng chuyển hóa thành động năng – và chỉ có vậy thôi. Nhưng chẳng lẽ vì cơ năng của vật thể phải bảo toàn thì lại cho rằng nó phải =0 hay sao? Mà một khi cơ năng =0 thì vật thể phải không chuyển động mới đúng chứ? Vì không thể nào lại có thể chuyển động mà với năng lượng =0 được! Nhưng vật lại vẫn chuyển động, không những thế còn chuyển động mỗi lúc một nhanh hơn, và điều tệ hại hơn nữa là lực trường thế ngày một mạnh hơn – chẳng lẽ không phải vì thế năng ngày một lớn hơn sao? Kết cục là cả động năng, cả thế năng đều tăng mà lại cho rằng cơ năng =0 thì hợp lý làm sao được? Sự khác biệt về trạng thái năng lượng rất rõ rệt: thoạt đầu ~0 – là điều đã quá rõ, nhưng về sau lại đạt những giá trị khổng lồ, thể hiện ra khi 2 vật va chạm nhau – điều này lại không thể chối cãi, (khủng long đã chẳng tuyệt diệt vì năng lượng này đó sao?).
Trường hợp chuyển động theo quỹ đạo tròn. Biểu thức (P11.1) quả thật cũng là một hằng số trong suốt quá trình chuyển động, hơn thế nữa, càng ở quỹ đạo bên trong, “cơ năng” càng lớn – điều này về định tính là hợp lý, cho dù vẫn bị lúng túng bởi dấu (–) của nó:
R W h c 2 α − = (P11.3) Về thực chất, nếu năng lượng <0, các vật tất phải hút nhau dẫn đến chuyển động về phía nhau thì mới phải, nhưng ở đây, khoảng cách giữa 2 vật luôn luôn không đổi – điều này phải chứng tỏ rằng theo phương nối tâm 2 vật thể, lực tác động tổng hợp lên nó phải =0 – tương đương với cơ năng theo phương đó =0. Ở đây, chỉ tồn tại chuyển động theo quỹ đạo tròn với động năng quỹ đạo bằng:
2
2
mV
K = (P11.4) Tức là có chuyển động thì có cơ năng tương ứng với nó – đó mới chính là điều hợp lôgíc. Tóm lại, trong trường hợp này, biểu thức (P11.1) hoàn toàn chẳng ăn nhập gì với cái gọi là “cơ năng” của vật thể cả, trái lại, cơ năng của chuyển động tròn đều trên quỹ đạo phải là biểu thức (P11.4) và chỉ có thế mà thôi.
Trong cả 2 trường hợp, đều không đề cập đến năng lượng tổng hay năng lượng toàn phần của thực thể vật lý, vì vậy, định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, xét cho cùng, cũng mới chỉ là “ảo giác” mà thôi.
Từ quan điểm của CĐM, năng lượng là đại lượng véc tơ chứ không phải là đại lượng vô hướng và hơn thế nữa lại phân biệt rất rõ năng lượng tổng, năng lượng toàn phần, năng lượng cơ (“cơ năng” trong cơ học Newton), năng lượng liên kết v.v.. trong đó định luật bảo toàn năng lượng được phát biểu cho năng lượng toàn phần chứ không phải cho các thành phần của nó. Nếu xét theo quan điểm của CĐM, biểu thức (P11.1) chỉ được xem như một tính chất của chuyển động thẳng bao gồm rơi tự do và chuyển động trên quỹ đạo (theo quán tính) chứ hoàn toàn không liên quan gì tới tổng năng lượng của thực thể vật lý cả. Cũng vẫn biểu thức đó, trong chuyển động cong (quỹ đạo elíp), nó không còn là đại lượng bảo toàn nữa trong khi đại lượng được bảo toàn chắc chắn vẫn là năng lượng tổng.