Le leggi dell’energia che governano le interazioni tra materia ed energia, come il trasferimento di calore da un corpo all’altro nell’universo fisico, sono definite in modo più fondamentale dalle tre leggi della termodinamica e dalla scoperta di Albert Einstein delle sue teorie della relatività speciale e generale . La fisica stessa è costruita su queste leggi, così come sulle tre leggi fondamentali del movimento definite da Isaac Newton e pubblicate per la prima volta nel 1687, che spiegano l’interazione di tutta la materia. Il campo della meccanica quantistica che ha iniziato ad emergere all’inizio del XX secolo ha anche chiarito circostanze speciali per le leggi dell’energia su scala subatomica, su cui si fonda gran parte della civiltà moderna a partire dal 20.
Uno dei principi fondamentali delle leggi dell’energia chiarito dalla prima legge della termodinamica è che l’energia non si crea né si distrugge. Tutte le forme di energia come l’energia luminosa o sonora possono essere trasformate in altre forme, e questo è stato rivelato per la prima volta a metà del 1800 dal lavoro di James Joule, un fisico inglese pionieristico, dopo il quale l’unità di base dell’energia, il joule, è stata di nome. Dopo dieci anni di riflessione sulla natura del rapporto tra materia ed energia, Albert Einstein pubblicò nel 1905 la sua famosa formula di E=MC2, che affermava che sia la materia che l’energia erano versioni della stessa cosa e potevano essere trasformate l’una nell’altra come bene. Poiché l’equazione afferma che l’energia (E) è uguale alla massa (M) per la velocità della luce al quadrato (C2), in realtà stava affermando che, se avessi abbastanza energia, potresti convertirla in massa e, se acceleri abbastanza massa , potresti convertirlo in energia.
La seconda legge della termodinamica definiva le leggi dell’energia affermando che, in qualsiasi attività in cui l’energia veniva utilizzata, il suo potenziale diminuiva o diventava sempre meno disponibile per ulteriori lavori. Ciò rifletteva il principio dell’entropia e spiegava dove andava l’energia quando il calore o la luce sfuggivano nell’ambiente circostante, cosa che aveva sconcertato l’umanità per secoli. L’entropia è l’idea che alti livelli di energia concentrata, come quella nel carburante prima che venga bruciato, alla fine si diffondono nello spazio come calore di scarto e non possono essere recuperati. Era in armonia con la prima legge della termodinamica perché l’energia non veniva distrutta, ma si perdeva l’accesso ad essa.
La terza legge della termodinamica fu chiarita nel 1906 da una ricerca condotta da Walther Nernst, un chimico tedesco. Ha rivelato che era impossibile creare una regione di spazio o materia in cui esistesse energia zero, che avrebbe raffreddato la regione alla temperatura più bassa possibile dello zero assoluto. Ciò supportava la prima e la seconda legge della termodinamica in quanto l’energia sarebbe sempre stata disponibile nello spazio o nella materia in una certa misura, anche se non poteva essere sfruttata per un lavoro utile.
Gli aggiornamenti di Einstein sulla nostra comprensione delle leggi dell’energia hanno reso possibili molte tecnologie moderne, come l’energia nucleare. Inoltre, le leggi del movimento di Newton hanno mostrato a scienziati e ingegneri come sfruttare la relazione tra materia ed energia per generare la forza e la traiettoria necessarie per mettere in orbita i satelliti o inviare sonde spaziali ai pianeti vicini. La meccanica quantistica ha contribuito alla comprensione di come l’energia viene utilizzata e trasferita per creare tecnologie come laser, transistor che sono alla base di tutti i sistemi informatici e apparecchiature mediche avanzate come la risonanza magnetica (MRI).