에너지 보존

여러 에너지 중 인간이 처음 인식한 것은 운동 에너지이다. 탄성 충돌에서는 충돌 전에 입자들의 운동 에너지와 충돌 후의 운동 에너지가 동일하다.

에너지라는 개념은 점차 확장하여 여러 형태의 에너지를 포함하게 되었다. 중력에 대하여 반대방향으로 올라가면서 점차 속도는 줄어들며 물체가 잃게 되는 운동 에너지는 위치 에너지, 즉 저장된 에너지로 바뀐다고 간주되었다. 이 에너지는 물체가 지구로 다시 떨어지면서 운동 에너지로 바뀌게 된다. 따라서 인공위성이나 진자에서 운동 에너지와 위치 에너지의 합은 일정하다. 그러나 마찰력은 아무리 정교한 기구라도 속도를 점차 감소시키며 따라서 에너지가 점차 감소하게 된다.

1840년대에 마찰로 발생되는 열도 에너지 개념을 확장하여 포함할 수 있음이 확증되었다. 따라서 운동 에너지, 위치 에너지, 열 에너지의 합이 실제로 보존 되는 양이 된다. 가장 일반적인 형태로 표시된 이러한 형태의 에너지 보존법칙이 바로 열역학 제1법칙이다. 에너지 개념이 점차 확장하여 전류가 갖는 에너지, 전기장이나 자기장에 저장된 에너지, 연료나 다른 화학 물질이 갖는 에너지도 포함하게 되었다.

1905년 상대성 이론이 출현하여 질량은 에너지와 동등함이 처음으로 인식되었다. 고속 입자계가 갖는 총에너지는 그들의 정지 질량의 합뿐만 아니라 빠른 속도로 인해 증가된 상당한 양의 질량도 포함한다. 상대성이론의 발견 이후 에너지 보존법칙은 질량-에너지 보존법칙 또는 총에너지 보존법칙으로 불리기도 한다.

에너지 보존법칙을 방사능의 일종인 베타 붕괴(원자핵에서 자발적으로 베타 입자가 방출되는 것)에 적용했을 때처럼 이 법칙이 성립하지 않는 것처럼 보일 때 물리학자들은 이 법칙을 포기하기보다는 부족한 에너지를 운반한다고 생각되는 새로운 원자구성입자, 즉 중성미자의 존재를 인정했다. 뒷날 중성미자는 실험으로 검출되었다. 한편 에너지 보존법칙은 시간의 균일성에서부터 수학적으로 유도할 수 있다. 만일 시간의 한 순간이 다른 순간과 특별히 다르다면 서로 다른 시간에 일어나는 동일한 물리 현상은 다른 양의 에너지가 필요하다. 따라서 에너지 보존법칙이 성립하지 않게 될 것이다.