Tại sao định luật Bảo toàn năng lượng lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Năng lượng không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, nhưng tổng năng lượng luôn được bảo toàn. Dựa theo nguyên lý này mà các nhà khoa học và các kiến trúc sư có thể chế tạo ra hệ thống năng lượng, mang điện đến cho mọi nhà tạo ra những chiếc ô tô. Nguyên lý đó được gọi là định luật Bảo toàn năng lượng, là một trong những phát hiện quan trọng nhất của tất cả các lĩnh vực khoa học và là nguyên lý cơ bản nhất trong toàn giới tự nhiên. Đây lá định luật nhiệt động lực đầu tiên, là chìa khóa để đi tìm lời giải cho sự chuyển hóa năng lượng và tính hoán đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau. Helmholtz đã tổng hợp tất cả những nghiên cứu và tư liệu để phát hiện ra nguyên lý này, phát hiện của ông đã vĩnh viễn làm thay đổi khoa học và công trình học.

Định luật bảo toàn năng lượng đã được tìm ra như thế nào?

Hermann von Helmholtz sinh năm 1821 tại Postdam nước Đức, gia đình ông làm nghề kinh doanh vàng. Năm 16 tuổi, ông nhận được học bổng học chuyên ngành y học của chính phủ nhưng với điều kiện là sau khi tốt nghiệp phải phục vụ trong quân đội phổ 10 năm. Và thế là Helmholtz lên đường đến học viện y học Beclin để theo đuổi học ngành y, thế nhưng ông lại thường xuyên tìm đến trường đại học Beclin để học hóa học và sinh lý học.

Trong thời gian phục vụ trong quân đội, Helmholtz đã tập trung nghiên cứu để chứng minh công do cơ bắp sinh ra đều bắt nguồn từ nguyên lý hóa học và vật lý chứ không phải là một loại “sinh lực không rõ ràng” nào đó. Rất nhiều những nhà nghiên cứu đã sử dụng từ “sinh lực” để giải thích cho những cái họ không thể giải thích nổi, dường như “sinh lực” này có thể tạo ra năng lượng một cách liên tục không bao giờ ngưng nghỉ mà không dựa trên cơ sở nào.

Helmholtz muốn chững minh rằng tất cả sự vận động của cơ bắp đều có thể được giải thích bằng việc nghiên cứu vật lý (cơ học) và phản ứng hóa học trong cơ thể người, ông muốn xóa bỏ lý luận về “sinh lực”. Qua quá trình nghiên cứu, Helmholtz càng tin tưởng vào khái niệm lực tác dụng và bảo toàn năng lượng, công không tự nhiên sinh ra mà nó cũng không tự nhiên bị mất đi.

Helmholtz còn học cả toán học với mục đích miêu tả hóa học có thể chuyển hóa thành động năng (vận động và công), biến đổi cơ bắp chuyển hóa thành công. Ông muốn chứng minh tất cả công đều có thể được giải thích thông qua những quá trình vật lý tự nhiên này.

Helmholtz miệt mài tìm cách chứng minh công không tự nhiên sinh ra một cách liên tục mà không có cơ sở. Với phát hiện này, ông đã đưa ra định luật bảo toàn năng lượng.

Helmholtz quyết định mở rộng phạm vi của nguyên lý bảo toàn năng lượng, đem nó ứng dụng vào các trường hợp khác nhau. Do vậy ông đã nghiên cứu rất nhiều những phát hiện của các nhà khoa học như James Joule, Julius Mayer, Piể Laplace, Antoine Lavoisier cùng nhiều nhà khoa học khác đã từng có những nghiên cứu về sự chuyển hóa qua lại hay sự bảo toàn của một loại năng lượng nào đó (ví dụ như động lượng).

Helmholtz đã phát triển những lý luận sẵn có trên cơ sở thực nghiệm, kết quả đã lần lượt chứng minh năng lượng vĩnh viễn không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa thành nhiệt, âm thanh, ánh sáng… Nhưng chúng ta luôn có thể tìm thấy nó và giải thích được nó.

Năm 1847, Helmholtz nhận ra những nghiên cứu của ông đã chứng minh lý luận phổ biến của bảo toàn năng lượng là: năng lượng trong vũ trụ (hay bất kì một hệ kín nào) luôn bảo toàn, năng lượng có thể chuyển hóa dưới nhiều dạng khác nhau như điện, từ, hóa năng, động năng, quang năng, nhiệt năng, âm thanh, thế năng…, nhưng năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi.

Thách thức lớn nhất đối với lý luận của Helmholtz đến từ phía các nhà thiên văn học nghiên cứu về mặt trời. Nếu như mặt trời không tự sinh ra ánh sáng và nhiệt năng thì số năng lượng khổng lồ do nó tỏa ra do đâu mà có? Nó không thể giống như vật chất tự đốt cháy mình bằng lửa. Các nhà khoa học từ lâu đã chứng minh: Nếu mặt trời cũng giống như các chất tự đốt cháy mình để sinh ra ánh sáng và nhiệt thì không đầy 20 triệu năm nó sẽ bị cháy hết.

Phải mất đến năm năm, Helmholtz mới làm sáng tỏ được vấn đề, đáp án chính là lực hấp dẫn. Mặt trời bị lún về phái trong nó một cách từ từ, đồng thời lực hấp dẫn đã chuyển hóa thành ánh sáng và nhiệt. Câu trả lời đó của Helmholtz đã được người đười sau ông công nhận (tổng cộng 80 năm cho đến khi phát hiện ra năng lượng hạt nhân ra đời). Nhưng quan trọng hơn cả là định luật bảo toàn đã được phát hiện ra và được công nhận.

schoolnet@