L'energia è una grandezza fisica che descrive e quantifica l'attitudine di un sistema fisico a compiere un lavoro, dove per lavoro si intende a sua volta una ben precisa grandezza fisica collegata all'azione di una forza, come ad esempio la forza gravitazionale, oppure la forza elettromagnetica. Ogni volta che una forza compie lavoro, si osserva una corrispondente variazione dell'energia del sistema.

L'energia di un sistema fisico si può manifestare sotto diverse forme. L'esempio forse più vicino all'esperienza quotidiana è quello del moto: allo stato di moto di un oggetto (pensiamo, ad esempio, alla nostra automobile in moto sull'autostrada) si associa una forma di energia, detta energia cinetica, determinata dalla massa dell'oggetto e dalla velocità con cui l'oggetto si muove (la dipendenza esatta è con il quadrato della velocità). Quindi, maggiore è la velocità dell'oggetto, maggiore è la sua energia cinetica: per cambiare la velocità, deve intervenire una forza che cambia lo stato di moto dell'oggetto. Questa forza compie quindi un lavoro sul sistema e questo lavoro si manifesta nell'aumento (o diminuzione) dell'energia cinetica dell'oggetto sotto studio (nel nostro esempio, l'automobile).

Un altro esempio di forma di energia molto vicino alla nostra esperienza comune è quello dell'energia potenziale del campo gravitazionale. Noi siamo immersi costantemente nel campo gravitazionale terrestre, al quale è associata la forza (gravitazionale) che ci attrae verso il centro della Terra. È esperienza comune che se un oggetto cade, la sua velocità aumenta: prendiamo ad esempio una mela che cade dal tavolo al pavimento. In base al discorso precedente, il fenomeno si interpreta dicendo che l'energia cinetica della mela cambia a seguito del lavoro compiuto dalla forza gravitazionale. Lo stesso fenomeno ci porta però ad introdurre il concetto di energia potenziale. La mela possiede un'energia potenziale più alta quando è sul tavolo, e più bassa quando è sul pavimento: nel cadere, la sua energia potenziale diminuisce e contemporeneamente la sua energia cinetica aumenta (in quanto aumenta la sua velocità).
Un oggetto immerso in un campo di forze gravitazionale, possiede quindi un'energia potenziale gravitazionale. Questa proprietà vale più in generale per altri campi di forze, se queste forze, così come la forza gravitazionale, possiedono la caratteristica di essere conservativi.

L'esempio della mela ci porta però all'introduzione di uno dei concetti più importanti della fisica: il principio di conservazione dell'energia per i sistemi isolati. Abbiamo visto che mentre la mela cade, la sua energia potenziale viene trasformata in energia cinetica. L'energia totale (la somma di tutte le forme di energia presenti nel sistema, in questo caso cinetica e potenziale) rimane costante. La mela nel campo gravitazione è un sistema isolato (cioè non agiscono altre forze sul sistema) e l'energia totale è conservata. Questo principio è di importanza estrema e viene esteso a tutte le forme di energia.

Senza dilungarci troppo, possiamo dire che ogni processo fisico è accompagnato da scambi di energia e le varie forme di energia non sono altro che diverse manifestazioni della stessa grandezza fisica. Ad esempio al calore si associa l'energia termica, all'elasticità si associa l'energia elastica, al campo elettromagnetico si associa una forma di energia elettromagnetica, e così via. Le diverse forme di energia possono trasformarsi l'una nell'altra, sempre in accordo con il principio generale di conservazione dell'energia totale.

La teoria della Relatività Ristretta di Einstein del 1905 (di cui l'anno prossimo ricorre il centenario) fa un ulteriore passo in avanti nella comprensione del concetto di energia: la massa stessa si può interpretare come una forma di energia. In quanto tale la massa di un oggetto può trasformarsi in un'altra forma di energia. La relazione tra la massa m posseduta da un corpo e l'energia E corrispondente è la celeberrima relazione di equivalenza E = m c², dove c è la velocità della luce nel vuoto, una costante universale. Da questa relazione si deduce che una massa anche piccola corrisponde a una grandissima quantità di energia, che può essere in linea di principio liberata sotto altre forme.
Questa generalizzazione del concetto di energia ha una conferma evidente e spettacolare nei processi che avvengono a livello microscopico tra le particelle elementari. In questi processi, alcune particelle interagendo possono "sparire" e dare origine a nuove particelle, ma sempre conservando l'energia totale, nel computo della quale va inserita però anche l'energia associata alla massa delle singole particelle. Un esempio può essere il decadimento del pione neutro: questa particella può decadere emettendo due fotoni, che non sono altro che energia di tipo elettromagnetico. Se il pione decade a riposo, l'energia di ognuno dei due fotoni emessi è uguale alla metà della massa del pione, come richiesto dal principio di conservazione dell'energia totale.

Un altro esempio viene dall'annichilazione di materia e antimateria: se un particella (ad esempio l'elettrone) interagisce con la sua antiparticella (il positrone), le due particelle spariscono e viene emessa radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni e l'energia posseduta dai fotoni corrisponde alla massa della coppia elettrone-positrone. Di nuovo abbiamo osservato la trasformazione di massa in energia.