L'énergie mécanique.
Dans le cadre classique, l'énergie mécanique inclut deux formes principales : l'énergie cinétique, qui est liée au mouvement, et l'énergie potentielle, qui dépend de la position dans un champ de force (comme la gravitation ou l'élasticité). Ces deux énergies se transforment mutuellement dans les systèmes conservatifs, où la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle est égale à l'énergie mécanique, qui reste constante.

L'énergie cinétique.
L'énergie cinétique est l'énergie associée au mouvement d'un corps. Tout objet possédant une masse et une vitesse possède une énergie cinétique. Cette énergie Ec dépend de la masse m de l'objet et du carré de sa vitesse v  (Ec = ½/mv²), ce qui signifie qu'une augmentation de la vitesse entraîne une augmentation particulièrement rapide de l'énergie cinétique. Elle intervient dans tous les phénomènes dynamiques, depuis la chute d'une pierre jusqu'au mouvement des planètes, des molécules d'un gaz ou des particules élémentaires dans un accélérateur. À l'échelle microscopique, la température d'un corps est directement liée à l'énergie cinétique moyenne des particules qui le composent. Dans les collisions, une partie de cette énergie peut être transférée, dissipée sous forme de chaleur ou convertie en d'autres formes d'énergie.

L'énergie potentielle.
L'énergie potentielle correspond à l'énergie qu'un système possède en raison de sa position ou de sa configuration dans un champ de forces. Elle ne dépend pas du mouvement immédiat de l'objet, mais de sa capacité à produire un mouvement ultérieur. L'exemple le plus connu est l'énergie potentielle gravitationnelle, qu'un objet acquiert lorsqu'il est élevé au-dessus de la surface terrestre. Cette énergie est convertie progressivement en énergie cinétique lors de la chute. De manière plus générale, tout champ de forces conservatif, gravitationnel, électrique ou magnétique, peut être associé à une énergie potentielle. Cette notion permet de décrire de nombreux phénomènes mécaniques sans analyser directement les forces exercées à chaque instant.

L'énergie potentielle élastique est une catégorie particulière d'énergie potentielle. Elle est est emmagasinée lorsqu'un matériau élastique, comme un ressort, un arc ou une membrane, est déformé. Cette énergie résulte de la déformation temporaire des liaisons atomiques du matériau. Lorsque la contrainte disparaît, l'énergie est restituée sous forme de mouvement. Les matériaux réels présentent cependant des pertes dues aux frottements internes, ce qui conduit à une dissipation partielle sous forme de chaleur. Cette forme d'énergie est largement utilisée dans les systèmes mécaniques, les amortisseurs, les instruments de mesure et les mécanismes de stockage d'énergie.

L'énergie thermique.
L'énergie thermique représente l'énergie interne liée aux mouvements désordonnés des particules constituant la matière. Elle résulte de l'agitation microscopique des atomes, des molécules, de leurs vibrations, rotations et interactions. Contrairement à l'énergie cinétique macroscopique, qui correspond au déplacement global d'un objet, l'énergie thermique concerne les mouvements internes aléatoires. La température constitue une mesure de cette agitation moyenne, tandis que la chaleur désigne le transfert d'énergie thermique entre deux systèmes présentant une différence de température. Les phénomènes de conduction, de convection et de rayonnement assurent ces transferts énergétiques. L'énergie thermique intervient dans tous les processus industriels, biologiques et géologiques.
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L'énergie chimique.
L'énergie chimique est stockée dans les liaisons chimiques reliant les atomes au sein des molécules. Les réactions chimiques consistent en une réorganisation de ces liaisons, ce qui provoque une libération ou une absorption d'énergie. Les combustibles fossiles, les aliments, les batteries, les explosifs et les carburants constituent autant de réservoirs d'énergie chimique. Lors de la combustion, l'énergie chimique est principalement convertie en énergie thermique, puis éventuellement en énergie mécanique dans les moteurs thermiques. Les organismes vivants exploitent également cette forme d'énergie grâce au métabolisme cellulaire, où les molécules organiques sont progressivement oxydées afin de produire l'énergie nécessaire au fonctionnement des cellules.

L'énergie électrique.
L'énergie électrique est liée à la présence, au déplacement ou à la répartition des charges électriques. Elle constitue aujourd'hui l'une des formes d'énergie les plus utilisées en raison de sa facilité de transport, de conversion et de contrôle. Dans un circuit électrique, l'énergie est transportée par le champ électromagnétique entourant les conducteurs et est convertie en chaleur, lumière, énergie mécanique ou énergie chimique selon les dispositifs alimentés. Les centrales électriques, qu'elles soient nucléaires, hydrauliques, thermiques, solaires ou éoliennes, ne produisent pas directement une énergie nouvelle; elles convertissent simplement une autre forme d'énergie en énergie électrique.

L'énergie magnétique.
L'énergie magnétique est associée aux champs magnétiques produits par les aimants permanents ou les courants électriques. Dans un électroaimant ou dans une bobine parcourue par un courant, une partie de l'énergie électrique est stockée sous forme d'énergie magnétique. Cette propriété est exploitée dans les transformateurs, les moteurs électriques, les alternateurs, les systèmes de stockage inductif et de nombreux dispositifs électroniques. Les champs magnétiques jouent également un rôle majeur dans les phénomènes astrophysiques, notamment autour des étoiles, des planètes et des trous noirs.

L'énergie électromagnétique.
L'énergie électromagnétique est transportée par les ondes électromagnétiques, qui regroupent l'ensemble du spectre allant des ondes radio aux rayons gamma. Cette énergie est portée par les photons, particules élémentaires sans masse au repos qui se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide. La lumière visible, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma ne diffèrent que par leur fréquence, leur longueur d'onde et leur énergie. L'énergie électromagnétique joue un rôle fondamental dans le transfert d'énergie entre les étoiles et les planètes, dans les télécommunications, l'imagerie médicale, la photosynthèse et l'ensemble des interactions radiatives.

L'énergie de rayonnement.
L'énergie de rayonnement désigne l'énergie transportée par les photons émis par toute source lumineuse ou thermique. Elle joue un rôle majeur dans l'équilibre énergétique des planètes, dans les échanges entre les étoiles et le milieu interstellaire, ainsi que dans les phénomènes climatiques. La Terre reçoit en permanence l'énergie radiative du Soleil et réémet une partie de cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge, assurant ainsi son équilibre thermique global.

L'énergie interne.
L'énergie interne est une grandeur thermodynamique qui englobe l'ensemble des énergies microscopiques contenues dans un système. Elle comprend les énergies cinétiques des particules, les énergies potentielles de leurs interactions, les énergies électroniques, vibrationnelles, rotationnelles et parfois nucléaires. Elle constitue une fonction d'état fondamentale en thermodynamique et intervient dans le premier principe, qui relie les variations d'énergie interne aux échanges de chaleur et de travail avec l'environnement.

L'énergie de masse.
Dans le cadre de la relativité restreinte d'Einstein, l'énergie et la masse deviennent équivalentes selon la célèbre équation E=mc². Cela signifie qu'une masse peut être considérée comme une forme concentrée d'énergie, ouvrant la voie à la compréhension des phénomènes nucléaires, où de petites quantités de masse se transforment en grandes quantités d'énergie. Les réactions nucléaires convertissent une petite fraction de cette énergie de masse en rayonnement ou en énergie cinétique des particules. Dans l'univers primordial, la création et l'annihilation de particules illustrent directement cette équivalence entre masse et énergie.

L'énergie nucléaire.
L'énergie nucléaire provient des interactions fortes qui assurent la cohésion des noyaux atomiques. Elle est considérablement plus concentrée que l'énergie chimique, car les forces nucléaires sont beaucoup plus intenses que les forces électromagnétiques responsables des liaisons chimiques. Deux mécanismes principaux permettent de la libérer : la fission nucléaire, qui consiste à fragmenter un noyau lourd comme l'uranium ou le plutonium, et la fusion nucléaire, qui réunit des noyaux légers tels que les isotopes de l'hydrogène pour former un noyau plus lourd.

• L'énergie de fission, est l'énergie de masse mise en jeu lors de la fission nucléaire, un processus qui consiste à diviser un noyau atomique lourd, comme celui de l'uranium 235 ou du plutonium 239, en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron. Cette réaction libère une grande quantité d'énergie, ainsi que des neutrons supplémentaires qui peuvent déclencher d'autres fissions, créant une réaction en chaîne. C'est le principe utilisé dans les centrales nucléaires et les bombes atomiques. L'énergie libérée provient de la différence de masse entre les noyaux initiaux et les produits de fission.

• L'énergie de fusion est l'énergie de masse que l'on considère lors du processus de fusion nucléaire, consiste à combiner deux noyaux légers, comme ceux de l'hydrogène (isotopes deutérium et tritium), pour former un noyau plus lourd, comme celui de l'hélium. Cette réaction libère également une énorme quantité d'énergie, car la masse du noyau résultant est légèrement inférieure à la somme des masses des noyaux initiaux. La fusion est le processus qui alimente le Soleil et les étoiles. Sur Terre, elle est difficile à maîtriser car elle nécessite des températures et des pressions extrêmes pour vaincre la répulsion électrostatique entre les noyaux. Les projets comme ITER visent à exploiter cette énergie de manière contrôlée pour produire de l'électricité.

Formes quantiques.
A l'échelle quantique, l'énergie apparaît sous forme discrète, ou quantifiée. Par exemple, les électrons dans un atome ne peuvent occuper que certaines énergies bien définies. Les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement se font sous forme de quanta, appelés photons, chacun portant une énergie proportionnelle à sa fréquence (E = hf). Les champs quantiques possèdent également une énergie propre. Même le vide quantique n'est pas totalement dépourvu d'énergie, car les fluctuations quantiques imposées par le principe d'incertitude entraînent l'apparition transitoire de particules virtuelles.

• L'énergie du vide, en théorie quantique des champs, est un état fondamental bouillonnant. Même en l'absence totale de particules, chaque champ quantique (électromagnétique, électronique, etc.) possède une énergie minimale non nulle, issue du principe d'indétermination d'Heisenberg. Celui-ci interdit à un oscillateur harmonique quantique de se trouver au repos strict : son énergie minimale est de ½ ħω, où ω est sa fréquence. Le vide est donc une immense superposition de ces fluctuations dites de point zéro, où des paires virtuelles particule-antiparticule apparaissent et s'annihilent en des temps si brefs (autorisés par la relation ΔE.Δt ≥ ħ/2) qu'elles ne sont jamais directement observables comme particules réelles. Cette énergie fantôme se manifeste pourtant par des effets physiques mesurables : le décalage de Lamb (modification des niveaux atomiques due aux fluctuations du vide électromagnétique), l'effet Casimir (une force attractive entre deux plaques métalliques rapprochées, causée par la pression différentielle des modes de vide entre les plaques et à l'extérieur), ou encore l'émission spontanée d'un atome excité, qui n'est rien d'autre qu'une interaction avec les fluctuations du vide. En cosmologie, cette énergie du vide est l'interprétation actuellement standard de la constante cosmologique Λ, supposée responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Mais sa valeur théorique, calculée par sommation des énergies de point zéro jusqu'à l'échelle de Planck, est colossale (environ 10¹²⁰ fois supérieure à la valeur observée, ce qui constitue l'une des plus grandes énigmes de la physique moderne).

• L'énergie associée à la création ou à l'annihilation de particules réelles est d'une nature différente mais profondément liée à ce vide. 

+ La céation d'une particule de masse m et d'impulsion nulle requiert une énergie au moins égale à son énergie de masse au repos, E = m c² (formule d'Einstein). Pour une particule en mouvement, l'énergie totale est E = √(p² c² + m² c⁴). Cette énergie n'est pas prélevée sur le vide lui-même, mais doit être apportée par un processus physique extérieur : une collision entre particules de haute énergie (dans un accélérateur), un photon gamma interagissant avec un noyau (production de paires électron-positon), ou encore un champ électrique intense (effet Schwinger). La création respecte strictement les lois de conservation : énergie, impulsion, charge électrique, nombre baryonique et leptonique, etc. Ainsi, un photon isolé ne peut pas se matérialiser en une paire électron-positon car il ne peut à la fois conserver l'énergie et l'impulsion dans le vide; il faut un noyau atomique pour absorber l'excès d'impulsion. L'énergie de création est donc empruntée au monde réel, et non au vide, même si les fluctuations du vide peuvent faciliter le processus en autorisant des états intermédiaires virtuels.

+ L'annihilation est le processus inverse : une particule et son antiparticule se rencontrent et disparaissent, convertissant leur masse entière en énergie sous forme de rayons gamma (ou d'autres paires, si l'énergie le permet). Par exemple, un électron et un positon au repos s'annihilent pour produire deux photons de 511 keV chacun, emportant exactement l'énergie 2 mec². L'énergie totale est conservée, mais elle change de forme : elle n'est plus stockée sous forme de masse, mais sous forme de rayonnement. Dans cette annihilation, une partie de l'énergie peut aussi être transférée à un troisième corps (annihilation à trois photons, ou annihilation en d'autres paires si l'énergie cinétique initiale est suffisante). Il convient ici de bien distinguer ce phénomène réel des annihilations virtuelles du vide : dans le vide, les paires virtuelles apparaissent et disparaissent sans échange net d'énergie avec l'extérieur, car leur durée de vie est trop courte pour violer le principe de conservation de l'énergie à l'échelle macroscopique. En revanche, lors d'une annihilation réelle, l'énergie de masse est intégralement libérée et devient détectable, comme dans la tomographie par émission de positons (TEP) ou dans les réactions nucléaires (où une petite fraction de masse se transforme en énergie).