KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG LÀ MỘT ?

A- KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT LÝ HỌC CỔ ĐIỂN:
* Trong Vật lý cổ điển thì khối lượng và năng lượng là hai đại lượng vật lý hoàn toàn khác nhau, gần như không hề có một sự liên quan nào đặc biệt lắm.
1./ Khối lượng :
* Thực tế, trong Vật lý cổ điển có đến 2 loại khối lượng, là khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn.
* Khối lượng quán tính là số đo về mức độ quán tính của vật. Khối lượng quán tính có thể suy ra từ định luật II Newton : m =F/a . Khối lượng quán tính là mức độ “chống lại” lực tác dụng của vật.
* Khối lượng hấp dẫn của vật cho biết khả năng hút các vật khác của vật. Khối lượng hấp dẫn cũng ra đời từ một công trình khác Newton: Định luật vạn vật hấp dẫn. (Có lẽ định luật này đủ nổi tiếng để tớ ko phải nói nhiều ).
* Nhiều phép so sánh bằng thực nghiệm đã cho thấy giá trị của khối lượng quán tính bằng giá trị của khối lượng hấp dẫn. Newton trong cuốn “Nguyên lý” nổi tiếng đã nói đến một thí nghiệm của ông như sau: “Tôi (tức là Newton) đã thử dùng vàng, bạc, chì, thuỷ tinh, cát, muối ăn, gỗ, nước và lúa mạch. Tôi lấy hai hộp giống nhau. Một hộp tôi xếp đầy gỗ, còn tại trung tâm dao động của hộp thứ hai thì tôi đặt một miếng vàng có cùng trọng lượng (chính xác đến mức tôi có thể làm được). Các hộp được treo trên các sợi dây mảnh có chiều dài là 11 bộ ( 1 bộ = 30,48 cm) tạo thành một cặp con lắc hoàn toàn giống nhau về trọng lượng và hình dạng cùng chịu lực cản không khí giống nhau. Sau khi đặt chúng cạnh nhau tôi quan sát xem chúng lắc tới, lắc lui như thế nào trong thời gian dài với những dao động như nhau. Và vì khối lượng vật chất trong vàng tương đương với khối lượng vật chất trong gỗ, tác dụng của lực chuyển động lên toàn bộ vàng tương đương với tác dụng của lực tác dụng lên toàn bộ gỗ cho nên nói cách khác trọng lượng của vật này twong đương với trọng lượng của vật kia.”
* Các nhà Vật lý cổ điển chỉ mới dừng lại ở việc xác nhận khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn có cùng trị số mà không thể giải thích được vì sao lại có sự tương đương này. Điều này đã được Albert Einstein giải thích trong “lý thuyết tương đối tổng quát” của mình vào năm 1916. Mình chưa có bất kỳ phương trình nào của “Thuyết tương đối tổng quát”(chính xác là có song lại không biết một vài số hạng có ý nghĩa gì) và mình mới chỉ hiểu (thực ra là đoán ) các ý tưởng của Einstein . Ý tưởng của Einstein là cho rằng chính khối lượng quán tính đã gây ra hiện tượng mà chúng ta gọi với cái tên là lực hấp dẫn, và bằng một cách nào đó nó đã bằng với giá trị của khối lượng hấp dẫn trong định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. (Điều này nói ra thì hơi khó hiểu, tớ thì học Văn ko giỏi nên chả biết diễn giải thế nào. Nhưng nếu bạn nào muốn biết rõ ràng hơn thì tớ sẵn sàng trả lời.)
2./ Năng lượng :
* Năng lượng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của vật.
Ở mức độ vĩ mô, năng lượng được chia thành nhiều dạng : cơ năng, hoá năng, điện năng, nhiệt năng, quang năng, xạ năng,…..Chúng quá khác biệt nhau về tính chất, đến nỗi mà ta khó tin chúng có thể chuyển hoá qua lại lẫn nhau và năng lượng toàn phần vẫn không có gì thay đổi (định luật bảo toàn năng lượng). Nhưng nếu xét về mặt vi mô, ta sẽ thấy dễ dàng hơn, bởi vì tất cả chúng đều là biểu hiện của động năng và thế năng của các hạt vi mô. Chẳng hạn như nhiệt năng là biểu hiện vĩ mô của động năng của các phân tử. Hay thế năng của một vật bằng tổng thế năng của các hạt vi mô.

B- TẠI SAO LẠI NÓI KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG CHỈ LÀ MỘT?
* Trong phương trình nổi tiếng của mình, Einstein đã mối quan hệ mật thiết của năng lượng và khối lượng: E =mc². Chúng ta từng biết năng lượng và khối lượng có thể chuyển hoá lẫn nhau trong phản ứng hạt nhân. Trong phản ứng toả năng lượng, tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng giảm đi và phản ứng đã toả ra năng lượng dưới dạng động năng của các hạt sau phản ứng. Trong phản ứng thu năng lượng, các hạt để có thể phản ứng với nhau thì phải thu thêm năng lượng, và sau đó tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng tăng lên. Độ hụt khối trong 2 phản ứng này, theo phương trình của Einstein, tương đương với năng lượng nhận thêm (hoặc toả ra), và định luật bảo toàn năng lượng vẫn nghiệm đúng. Đến đây, tớ tự hỏi: “Tại sao mà khối lượng và năng lượng có thể dễ dàng chuyển hoá lẫn nhau? Phải chăng chúng chỉ là một ?”.
C- CÁC NHÀ VẬT LÝ TRÊN THẾ GIỚI NGHĨ NHƯ THẾ NÀO VỀ VẤN ĐỀ NÀY ?
  Dường như mọi người đều cố tình lảng tránh việc coi khối lượng là một. Người ta cho rằng: khối lượng đặc trưng cho mức độ quán tính của vật chất, còn năng lượng đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất. Hệ thức Einstein chỉ cho ta một sự tương đương giữa mức độ quán tính và mức độ vận động của vật chất mà ko cho rằng đó là sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng (lập luận này tớ đọc trong cuốn “Vật lý đại cương quyển 1” của Lương Duyên Bình). Ngay trong lập luận này cũng đã cho thấy tính miễn cưỡng. Chúng ta hãy cũng chỉ rõ nhé! Khối lượng đặc trưng cho mức độ quán tính, tức là mức độ quán tính của một vật phụ thuộc chặt chẽ vào khối lượng của nó. Còn năng lượng lại đặc trưng cho mức độ vận động , hay mức độ vận động của một vật tuỳ thuộc vào năng lượng mang trong nó ít hay nhiều. Nói rằng hệ thức Einstein chỉ ra sự tương đương giữa mức độ quán tính và mức độ vận động và ko chỉ sự tương đương giữa năng lượng và khối lượng trong một vật có phải là quá miễn cưỡng không?
D- MỘT SỐ DẪN CHỨNG VỀ SỰ CHUYỂN HOÁ GIỮA NĂNG LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG:
    Các nhà vật lý hình như không thừa nhận những điều mà tớ đưa ra ở trên. Họ ko cho rằng khối lượng và năng lượng là một. Có thể họ có cách giải thích nào đó mà tớ không biết. Nhưng tớ vẫn cho rằng chúng chỉ là một. Tớ có thể đưa ra một số dẫn chứng sau:
 * Ta biết rằng hạt-phản hạt có thể huỷ cặp để tạo ra photon.Lấy ví dụ là hiện tượng huỷ cặp của electron và positron: Cả 2 hạt đều có khối lượng (khối lượng mỗi hạt khoảng 0,511 MeV), nhưng sau đó lại tạo ra 2 hạt photon có khối lượng bằng 0. Khối lượng đã chuyển hoá hoàn toàn thành năng lượng của 2 hạt photon. Ngược lại với hiện tượng huỷ cặp là hiện tượng sinh cặp. Trong hiện tượng này, khi cho 2 photon va chạm với nhau ở năng lượng cao (trong máy gia tốc) thì sẽ tạo ra electron và positron. Trong trường hợp này thì năng lượng đã chuyển hoá thành khối lượng của electron và positron.
 * Trong Lý thuyết tương đối, một vật chuyển động với vận tốc lớn sẽ tăng khối lượng. Theo cách giải thích của “Thuyết tương đối hẹp”, sự tăng khối lượng này là do định luật bảo toàn năng lượng toàn phần. Lúc đầu (vật đứng yên), năng lượng toàn phần bằng năng lượng nghỉ của vật. Để vật chuyển động thì phải cung cấp cho vật một động năng tương ứng với vận tốc của vật. Theo định luật bảo toàn năng lượng toàn phần thì năng lượng nghỉ của vật tăng lên, tương ứng với đó là khối lượng của vật cũng tăng lên.
Nhưng vật chất đâu ra đã làm tăng khối lượng của vật? Tớ nghĩ, nếu vật tăng khối lượng do chuyển động có thể là do năng lượng “đặc” lại. Khối lượng chẳng qua chỉ là một đại lượng có được do sự đặc lại của năng lượng hay là một điều gì đó tương tự.
 * Tớ đã định hướng cho con đường tương lai của mình là trở thành một nhà Vật lý Lý thuyết. Cũng như các nhà Vật lý lý thuyết nổi tiếng trên thế giới, tớ rất quan tâm đến ToE. Hai mô hình có thể nói là có triển vọng trở thành ToE chính là Mô hình chuẩn (Standal Model)và Lý thuyết dây (Ubertheory). Đối với nhiều nhà Vật lý Lý thuyết nổi tiếng (trong đó có Stephen Hawking) thì Lý thuyết dây có nhiều triển vọng hơn. Đáng tiếc là tớ không có điều kiện để có được nhiều hơn sự hiểu biết về Lý thuyết này nên không thể nói gì với các bạn về năng lượng và khối lượng trong Lý thuyết dây. Nhưng trong Mô hình Chuẩn thì tớ tin có thể làm cho các bạn thấy được sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng. Theo Mô hình này, một hạt có khối lượng là do nó có tương tác với trường Higgs. Chính sự tương tác mạnh hay yếu  của hạt đó đối với trường Higgs khiến cho hạt đó có khối lượng nặng hay nhẹ. Sự tương tác ở đây, trở về với Vật lý học cổ điển một chút, thể hiện ở năng lượng của hạt. Mô hình này ngụ ý rằng: chính năng lượng của hạt quyết định xem khối lượng của hạt đó như thế nào. Cũng lại là một điều đáng tiếc là máy gia tốc được xây dựng với mục đích tìm ra hạt Higgs đã phải ngừng xây dựng do chính phủ ko tài trợ thêm ngân sách, dù cho máy gia tốc này đã hoàn thành được một nửa.