انرژی، منابع، و صورت‌های آن

از انرژی به صورت‌های گوناگونی یاد می‌شود. مثلاً گفته می‌شود فلان شیرینی انرژی دارد، یا فلان فرد پر انرژی است، یا این که ما باید قادر به استفاده‌ی صلح آمیز از انرژی هسته‌ای باشیم. از انرژی‌های تجدید شونده، انرژی باد یا امواج دریا، و انرژی خورشیدی صحبت می‌شود. به راستی انرژی چیست. فیزیک‌دانان انرژی را قابلیت انجام کار تعریف کرده‌اند، اما این تعریف نیاز به توضیح دارد. برای درک دقیق این تعریف نیاز است نخست مفهوم دقبق کار را بفهمیم. در فیزیک کار به صورت ضرب نیرو در میزان جا به جایی نقطه اثر نیرو در امتداد نیرو تعریف می‌شود. در این تعریف، هم بزرگی نیرو و هم مفید بودن آن در جا به جا نمودن نقطه اثرش لحاظ شده است. پس کار، بدون جا به جایی معنا یا در واقع وجود ندارد. با این حساب قابلیت انجام کار چه معنایی می‌تواند داشته باشد؟ برای پاسخ دقیق به این پرسش لازم است قبلاً به یک اصل بقا توجه کنیم. این اصل بقا به زبان ساده این را می‌گوید که هنگامی که نیروی وارد بر جسمی آن را به حرکت در آورد و در واقع طبق تعریف فوق بر روی آن کاری انجام داد حرکتی که جسم از این نیرو گرفته است تا هنگامی که مانعی سر راهش نباشد باقی خواهد ماند و این امر به زبان دقیقِ فیزیکی و ریاضی به این معناست که کار انجام شده روی جسم به صورت افزایش انرژی جنبشی آن (که به صورت ضرب نصف جرم در مجذور سرعت تعریف می‌شود) ابقا می‌شود.
به این ترتیب نوعی همگونی بین کار انجام شده روی جسم و افزایش انرژی جنبشی جسم وجود دارد. اما این همه‌ی قضیه نیست. غالباً این‌گونه است که موقعیت‌هایی وجود دارد که بر اثر برخورها یا عوامل دیگر، از جنبش یا انرژی جنبشی جسم کاسته می‌شود. مثلاً هنگامی که توپی را به بالا پرتاب می‌کنیم به وضوح در نزدیکی‌های نقطه‌ی اوجش از انرژیِ جنبشی‌اش کاسته می‌شود. آیا چنین مواردی در تناقض با اصل بقایی است که در بالا بیان کردیم؟ برای این که بتوانیم پاسخ دقیقی به این پرسش دهیم لازم است به مسأله‌ای دقت کنیم. این مسأله مشاهده‌ی این موضوع است که هیچ‌گاه دیده نشده است که چنین توقف‌هایی در انرژی جنبشی همیشگی باشد. به عبارتی همواره موقعیت طوری است که اگر سیستم به حال خود گذاشته شود وضعیت برمی‌گردد و مجدداً همان انرژی جنبشی قبلی برای جسم حاصل می‌شود. گویا آن کار انجام شده یا آن انرژی جنبشی جسم، از بین نرفته است بلکه به طور موقت در جایی و به نحوی ذخیره شده است و در موقع مقتضی آزاد می‌شود و باز به صورت کار یا انرژی جنبشی خود را نشان می‌دهد. این ذخیره شدن کار یا انرژی جنبشی در زبان فیزیک و ریاضی تعاریف و معادلات و محاسبات دقیقی دارد، اما به هر حال چه آن زبان ریاضی و چه این زبان ساده‌ای که ما برای معرفی آن به کار بردیم دال بر وجود چنین ذخیره سازی‌ای از کار یا انرژی جنبشی می‌باشند. در زبان فیزیکی به این ذخیره‌شدگی کار، انرژی پتانسیل گفته می‌شود که در واقع همان کارِ بالقوه (و نه بالفعل) یا قابلیت انجام کار است. گاهی بنابرمسامحه، وقتی کلمه‌ی انرژی به تنهایی ذکر می‌شود منظور از آن همان انرژی پتانسیل (نه جنبشی) است. درواقع می‌توان گفت هم‌چنان که تعاریف ما ایجاب می‌کند نیمی از انرژی‌های جهان به صورت انرژی جنبشی (عمدتاً به صورت گرما) و نیمی دیگر به صورت (انواع گوناگونِ) انرژی پتانسیل می‌باشند که این دو به طور مکانیکی و دینامیکی قابل به تبدیل شدن به یک‌دیگرند.
اگر صحبت از انرژی شیمیایی می‌کنیم در واقع منظورمان انرژی پتانسیل ذخیره شده در مولکول‌های مواد شیمیایی است که در شرایطی قابلیت آزاد شدن و به صورت انرژی جنبشی یا گرما درآمدن دارند. اگر صحبت از انرژی هسته‌ای می‌شود منظور انرژی پتانسیل ذخیره شده در ذرات هسته‌ی اتم‌هاست که تحت شرایطی این قابلیت را دارد که آزاد شود و به صورت افزایش قابل ملاحظه‌ای در انرژی جنبشی ذرات یا به عبارتی افزایش گرمای آنها ظاهر شود. اگر از انرژی آب پشت سدها سخن به میان می‌آید منظور اشاره به این است که آبی که به تدریج با جمع شدن پشت سد به بالا حرکت کرده است انرژی جنبشی ناشی از این حرکت خود را به صورت انرژی پتانسیل گرانشی در خود ذخیره کرده است و قادر است با سرریز شدن از سد این انرژی ذخیره شده را مجدداً به صورت انرژی جنبشی آزاد کند که آن هم می‌تواند با دادن قسمتی از انرژی جنبشیِ خود به پره‌های یک توربین آن را بجنباند یا به گردش وادارد و این انرژی گردشی به نوبه‌ی خود طی فرایدهایی به انرژی الکتریکی تبدیل و منتقل شود تا نهایتاً بخش عظیمی از آن مجدداً به صورت انرژی جنبشی در گرمای ایجاد شده در سیم‌ها و مصرف کننده‌ها و بخشی به صورت انرزی مکانیکی یا جنبشی قطعات و اسباب و ماشین‌های مورد استفاده‌امان (مثلاً در پنکه) در آید. آن چه به صورت اصل بقای انرژی بیان می‌شود چیزی جز بیان دقیق تبدیلات فوق الذکرِ مدامِ انرژی‌های جنبشی و پتانسیل به یک‌دیگر نیست. آن‌چه تحت عنوان بحران انرژی از آن یاد می‌شود اشاره به منابع انرژی پتانسیل دارد. در واقع بشر برای رفع نیازهای روزافزون خود نیاز دارد کارهای زیادی را صورت دهد. انجام این کارها نیازمند منابع انرژی پتانسیل می‌باشد که بشر بتواند به نحو مناسب و کنترل شده‌ای انرژی‌های پتانسیل آنها را به گونه‌ای آزاد کند که بتوانند کار مورد نظر او را انجام دهند. این گونه منابع انرژی پتانسیل در طبیعت به صورت‌های مختلف وجود دارد که به تعدادی از آنها مثل انرژی هسته‌ای یا انرژی خورشیدی یا انرژی شیمیایی (فسیلی) اشاره کردیم. بعضی از این منابع مثل انرژی فسیلی در طبیعت به علت مصرف زیاد انسان رو به اتمامند و چون روند تولید طبیعی آنها بسیار کند است به آنها انرژی تجدید نشونده می‌گوییم. به همین خاطر، بشر برای تأمین انرژی مورد نیاز خود، به انرژی‌های تجدید شونده، که طبیعت به راحتی قادر به پر کردن خلأ ناشی از مصرف آنها توسط انسان هست، رو آورده است. در این زمینه توجه او به ویژه معطوف به استفاده‌ی صلح آمیز از انرژی هسته‌ای است. بسیاری از منابع انرژی تجدید شونده مثل باد، آب دریا، گرمای آب‌های زیر زمینی و امثالهم علیرغم تمیز و پاک و بی‌ضرر بودن دارای قابلیت انجام کار به اندازه‌ی آن‌چه از انرژی‌های فسیلی حاصل می‌شود نیستند. به همین دلیل بشر در صدد است راه‌های بهینه‌ای را بیابد که استفاده از این انرژی‌ها را توجیه نماید. این امر به ویژه در زمینه‌ی استفاده از انرژی هسته‌ای پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است.
در مجموع باز یاد آور می‌شویم که این انرژی پتانسیل نهفته در غذاهاست که نهایتاً با سوخت و ساز درون بدنی به صورت حرکت‌های جنبشی گرمایی بدن یا حرکت‌های فیزیکی اندام‌ها یا به صورت‌های دیگر آزاد می‌شود. و این انرژی بالقوه‌ی شیمیایی بنزین یا دیگر سوخت‌هاست که با سوختن درون موتور خودروها نهایتاً به صورت گرما و حرکت خودرو درمی‌آید. لکن بزرگ‌ترین انرژی پتانسیل شناخته شده برای بشر انرژی هسته‌ای است. این انرژی چنان متراکم و عظیم است که آزاد شدن زنجیره‌ای آن در چند گرم ماده قادر است انفجار متشعشع عظیمی ایجاد کند که خرابی‌های بسیار عظیمی را در اطراف خود به وجود آورد و هر ذی حیاتی در اطراف خود را نابود کند حتی اگر صدها هزار انسان باشند. در واقع آن چه فیزیک نوین بیان می‌کند دال بر این است که همه‌ی این انرژی عظیم قبلاً صرفاً به صورت انرژی پتانسیل با تعریفی که از آن بیان کردیم ذخیره نشده بودند که اکنون در حال آزاد شدند، زیرا این فیزیک بعید می‌داند که چنین انرژی عظیمی قابلیت ذخیره شدن در محدوده‌ای کوچک به صورت انرژی پتانسیل را داشته باشد، بلکه این فیزیک از زبان اینشتین استدلال می‌کند که چنین انرژی عظیمی از تبدیل مقداری کمی ماده به انرژی حاصل شده است. به این ترتیب بنا بر این فیزیک لااقل در محدوده‌های انرژی‌های بسیار زیاد قوانین بقای ماده و انرژی به طور جداگانه معتبر نیستند و تنها باید از یک قانون بقای ماده-انرژی سخن گفت که بیان می‌دارد اگر در جایی مقداری ماده گم شد حتماً به انرژی تبدیل شده است و بالعکس.