Masse - Définition

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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 de la lumière). Dès lors, on peut considérer la masse comme une forme d'énergie, appelée énergie de masse, 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 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, qu'elle provienne de la fusion ou de la fission, résulte de la transformation d'une certaine quantité de masse en énergie.

  • Quand un noyau de deutérium et un noyau de tritium fusionnent ensemble pour former un noyau d'hélium 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.
  • Il arrive parfois que de la matière s'annihile complètement au cours d'une transformation de masse en énergie. C'est le cas par exemple lorsqu'un électron entre en collision avec un positron : les deux particules disparaissent complètement et toute leur masse se transforme en rayonnement électromagnétique, sous forme de deux photons gamma hautement énergétiques (511 keV). Le phénomène inverse, 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 jusqu'à 99 % de la vitesse de la lumière, 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, 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 est l'invariant relativiste (la pseudo-norme) du quadrivecteur 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 relativité générale

La masse grave n'a pas sa place en relativité restreinte car la gravitation n'a pu y être incluse en respectant à la fois les principes relativistes et les observations. Toutefois, pour l'élaboration d'une gravitation relativiste, Einstein est parti de l'indépendance entre l'accélération due à la gravitation et la masse inerte du corps (en physique 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 générale, le rôle de la masse grave est tenu par l'énergie du corps, exprimée sous la forme du tenseur énergie-impulsion, prolongeant ainsi l'identité liant la masse inerte et l'énergie établie en relativité restreinte.

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