RELATIVITÉRelativité restreinte

L'équivalence masse-énergie

Dès 1905, Einstein écrit que la masse (M) d'un corps est la mesure de son contenu en énergie. Deux ans plus tard, il pose sa fameuse équation, E = Mc², reliant les concepts d'énergie et de masse pour un corps au repos. Si on désire une formulation valable dans n'importe quel référentiel, on doit utiliser la formulation « invariante » sous les transformations de Lorentz de cette loi, qui s'écrit alors : E²— c²p_x² — c²p_y² — c²p_z² = M²c⁴.

Cette équivalence entre la masse et l'énergie est particulièrement bien mise en évidence au niveau subatomique. Si un noyau de grande masse parvient à se scinder en deux noyaux dont la somme des masses est inférieure à la masse initiale, il en résulte un dégagement d'énergie proportionnel à la perte de masse. C'est le principe des centrales électriques fonctionnant à partir des réactions de fission nucléaire de noyaux lourds tels que l'uranium. L'équivalence masse-énergie est aussi la cause du dégagement d'énergie par le Soleil (et en général les étoiles), qui transforme, chaque seconde, quatre millions de tonnes de matière en énergie rayonnée. Dans ce cas, c'est la fusion de noyaux d'hydrogène en noyaux dont la masse est inférieure à la somme des masses des protons et des neutrons constituants. On dit alors qu'une énergie de liaison (négative) se combine aux énergies de masse des constituants pour donner l'énergie de masse du noyau composé.

Il est important de ne pas confondre le caractère invariant de Lorentz de la masse d'une particule et le fait que l'énergie (et la quantité de mouvement) est une quantité conservée lors de n'importe quel processus physique, bien que sa valeur dépende du référentiel choisi pour examiner la cinématique. La valeur de la masse d'un objet est donc une quantité intrinsèque à cet objet, mais un processus naturel pourra détériorer cette masse et la transformer en énergie cinétique ou en énergie rayonnée par exemple. L'équivalence masse-énergie permet de mesurer la masse d'un objet par la quantité d'énergie nécessaire à sa formation ; ainsi exprime-t-on indifféremment la masse de l'électron en kilogramme ou en mégaélectronvolt (1 MeV = 1,6 × 10^–10 joule) par : m = 9,11 × 10^–31 kg ou m = 0,511/c² MeV.

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