Masse - Définition et Explications

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Masse, énergie et relativité

En relativité restreinte

La relativité restreinte utilise la masse inerte m par le biais de la quantité de mouvement et permet d'identifier l'énergie E du corps au repos à mc2 (où c est la vitesse (On distingue :) de la lumière). Dès lors, on peut considérer la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) comme une forme d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), appelée énergie de masse (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout système au repos, de masse m, possède ainsi une énergie de masse E donnée par la célèbre...), et il apparait que la notion véritablement invariante au cours des transformations physiques n'est pas la masse mais l'énergie qui se manifeste successivement sous différentes formes.

Ce lien entre énergie et masse permet de prendre une nouvelle unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles. Les systèmes...) pour la masse : une unité de mesure de l'énergie, par exemple l'électron-volt est souvent utilisé pour exprimer la masse des particules élémentaires.

L'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), qu'elle provienne de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) ou de la fission, résulte de la transformation d'une certaine quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) de masse en énergie.

  • Quand un noyau de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) et un noyau de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en...) fusionnent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) pour former un noyau d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi...) 4 (avec éjection d'un neutron), la masse finale est inférieure à la masse initiale et la différence, ou défaut de masse, apparait sous forme d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....).
  • Il arrive parfois que de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) s'annihile complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité d'informations...) au cours d'une transformation de masse en énergie. C'est le cas par exemple lorsqu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de...) entre en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec un positron : les deux particules disparaissent complètement et toute leur masse se transforme en rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.), sous forme de deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) gamma hautement énergétiques (511 keV). Le phénomène inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...), la matérialisation de l'énergie par création de paires, est également possible.

On peut aussi considérer que les accélérateurs de particules permettent également de transformer de l'énergie en masse. Ainsi par exemple, quand on accélère un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) jusqu'à 99 % de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un...), sa masse devient environ 7 fois plus grande qu'au repos, selon la formule suivante : m = m / [1 – (v /c)2 ]1/2, dans laquelle c est la vitesse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...), v la vitesse du proton, m sa masse au repos et m sa masse en mouvement, dite masse relativiste. Mais certains auteurs considèrent que l'appellation de « masse » doit être réservée à la masse au repos m, et que l'égalité E = γmc2 ne permet que de parler d’énergie au repos et d’énergie à la vitesse v, « trouvant souhaitable que le mot masse s'applique à une propriété intrinsèque » du corps et sans lien avec sa vitesse, qui est relative au référentiel de l'observateur.

La masse (sous-entendu au repos) au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre...) est l'invariant relativiste (la pseudo-norme) du quadrivecteur (La théorie de la relativité (restreinte, puis générale) postulée par Einstein amène à considérer les trois coordonnées d'espace (par exemple hauteur, largeur, profondeur) et le temps comme formant...) impulsion ou quadri-moment, ce qui permet d'écrire la relation E2 = m2c4 + p2c2, où m est la masse, E l'énergie totale du corps (énergie de masse + énergie cinétique) et p sa quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se...).

En relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...)

La masse grave n'a pas sa place en relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein en 1905 en vue de tirer toutes les conséquences physiques de la relativité...) car la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) n'a pu y être incluse en respectant à la fois les principes relativistes et les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...). Toutefois, pour l'élaboration d'une gravitation relativiste, Einstein est parti de l'indépendance entre l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) due à la gravitation et la masse inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) du corps (en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) classique, c'est l'égalité entre masse grave et masse inerte) et en a tiré une « interprétation » sous la forme d'un nouveau principe : son « principe d'équivalence ». Ensuite, dans la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale, le rôle de la masse grave est tenu par l'énergie du corps, exprimée sous la forme du tenseur (Tenseur) énergie-impulsion, prolongeant ainsi l'identité liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support, il est alors plutôt...) la masse inerte et l'énergie établie en relativité restreinte.

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