E=mc2

Fichier:Relativity3 Walk of Ideas Berlin.JPG

Sculpture de « E=mc² » exposée lors de la « Modèle:Lang » à Berlin en 2006.

L'équation Modèle:Formule (lire « E égale m c carré » ou « E égale m c deux ») est une formule d'équivalence entre la masse et l'énergie, rendue célèbre par Albert Einstein dans une publication en 1905 sur la relativité restreinte.

Cette relation signifie qu'une particule de masse Modèle:Mvar isolée et au repos dans un référentiel possède, du fait de cette masse, une énergie Modèle:Mvar appelée énergie de masse, dont la valeur est donnée par le produit de Modèle:Mvar par le carré de la vitesse de la lumière dans le vide (Modèle:Mvar).

Elle apparaît en 1900 de façon implicite chez le mathématicien et physicien français Henri Poincaré dans l'article intitulé « La théorie de Lorentz et le principe de l’action et de la réaction »<ref name="Bizouard">Christian Bizouard, « E = m c² l’équation de Poincaré, Einstein et Planck » Modèle:Pdf.</ref> où il développe certains principes de déformation de l'espace-temps qu'il appelle aussi « relativité », puis en 1903 dans la thèse peu médiatisée de l'Italien Olinto de Pretto.

En relativité restreinte, l'égalité Modèle:Formule est connue comme la relation d'EinsteinModèle:SfnModèle:Sfn. Elle relie une masse Modèle:Formule et une énergie Modèle:Formule. L'énergie Modèle:Formule est l'énergie de masse Modèle:FormuleModèle:Sfn. La masse Modèle:Formule est la masse inerte Modèle:FormuleModèle:SfnModèle:SfnModèle:SfnModèle:Sfn qui apparaît dans la relation fondamentale de la dynamiqueModèle:Sfn et caractérise l'inertie d'un corpsModèle:Sfn. Einstein, par cette équivalence de la masse inerte et de l'énergie, introduit le principe d'inertie de l'énergieModèle:Sfn.

Cette formule de transformation, qui explique l'énergie dégagée par la fission et la fusion nucléaire, en particulier dans les bombes atomiques, marque fortement les esprits car elle met en évidence que, du fait de l'énormité du facteur c², une perte de masse même petite à l'échelle humaine peut dégager une quantité d'énergie considérable. Par exemple, un gramme de matière que l'on annihilerait par collision avec de l'antimatière correspond à environ Modèle:Nombre, soit approximativement l'énergie dégagée par les premières bombes nucléaires.

Histoire

Modèle:Article connexe Dès 1881, Joseph John Thomson (1856-1940) attribue à un conducteur une masse additionnelle de Modèle:Formule où Modèle:Formule est l'énergie du champ électromagnétiqueModèle:Sfn.

En 1900, Henri Poincaré (1854-1912) observe que le rapport du flux d'énergie de Poynting au flux d'impulsion électromagnétique est de Modèle:FormuleModèle:Sfn. Il suggère que l'énergie électromagnétique doit avoir une masse apparente telle que Modèle:FormuleModèle:Sfn. Il en conclut qu'un émetteur hertzien émettant de l'énergie sous forme d'ondes doit subir un effet de recul de la même manière qu'un canon expulsant un bouletModèle:Sfn. La même année, il présente les résultats de ses travaux dans un mémoire intitulé La théorie de Lorentz et le principe de l’action et de la réactionModèle:Sfn. Il ajoute en 1902 certaines notions liées à la relativité restreinte (déformation de l'espace et du temps eux-mêmes, et non simple déformation des solides comme le supposait Fitzgerald), dans son ouvrage La Science et l'Hypothèse<ref>Henri Poincaré, La Science et l'Hypothèse, 1902.</ref>.

Selon l'historien Modèle:Lien<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>, l'équation d'équivalence entre masse et énergie aurait été formulée dès 1903 par un physicien amateur italien, Olinto de PrettoModèle:Sfn<ref>Modèle:Lien web.</ref>. La formule est décrite le Modèle:Date- dans un article de Modèle:Unité publié par la revue scientifique de l'Institut Royal des Sciences, Lettres et Arts de VeniseModèle:SfnModèle:Sfn.

En 1904, Friedrich Hasenöhrl (1874-1915) montre que, si l'on considère le mouvement d'une boîte aux murs réfléchissants, vide de toute matière mais contenant un rayonnement électromagnétique d'énergie totale Modèle:Formule, celui-ci se comporte, du fait de l'énergie de radiation, comme s'il avait une masse Modèle:FormuleModèle:Sfn. Mais le calcul s’avérera erronéModèle:Sfn.

C'est un an plus tard, avec le dernier des articles publiés lors de son [[Annus mirabilis d'Albert Einstein|Modèle:Langue]], qu'Einstein exprime ce qui deviendra son équation célèbre : Modèle:CitationModèle:Sfn.

Dans ce texte, il produit une première démonstration pour le cas général de cette égalité, qui jusque-là n'avait été démontrée que dans des cas particuliers<ref name="pais_145">Abraham Pais, Albert Einstein. La vie et l'œuvre, InterÉditions, 1993 Modèle:ISBN, Modèle:P..</ref>. Il en proposera par la suite deux autres, en 1934 et en 1946<ref name="pais_145" />.

L'équation E = mc² fait toutefois partie des apports que certains contestent à Einstein dans le cadre de la controverse sur la paternité de la relativité. Celle-ci ne concerne que la relativité restreinte. La relativité générale, qui demanda dix ans de travaux supplémentaires à Einstein, ne lui fut guère contestée.

Illustrations

En mécanique newtonienne, l'énergie d'une particule isolée provient de sa vitesse et se manifeste sous forme d'énergie cinétique. Au contraire, d'une façon inattendue à l'époque de sa découverte, Modèle:Nobr² exprime qu'une particule de masse m possède intrinsèquement une énergie E, même si elle est au repos. Elle stipule que la masse fait partie de l’énergie totale d'un corps, comme l'est l’énergie cinétique. L’énergie totale d’un corps devient donc la somme de son énergie cinétique et de son énergie de masse.

Cette équivalence entre masse et énergie ouvre un éventail de possibilités inconnues de la physique pré-relativiste. En relativité restreinte, la masse peut être « convertie » en chaleur, énergie cinétique ou autre forme d’énergie, au cours d'une réaction. En effet lorsque les particules d'un système donné subissent une transformation, par exemple lors d'une collision, la relativité restreinte impose que l'énergie totale (évaluée dans un certain système de coordonnées) se conserve. Mais comme l'énergie comprend la masse, il est tout à fait possible que « de la masse » apparaisse lors de la réaction (par exemple sous forme de particules) au détriment d'énergie ou que, au contraire, de l'énergie soit libérée par « consommation » de masse.

Numériquement, dans l'équation <math qid=Q35875>E = mc^2</math> et dans le Système international d'unités :

• E est l'énergie exprimée en joules ;
• m est la masse (au repos) en kilogrammes ;
• c est la vitesse de la lumière dans le vide, soit Modèle:Nobr Modèle:Unité (environ Modèle:Unité), ce qui correspond à un facteur c² d'environ Modèle:Unité.

On peut vérifier expérimentalement que la racine carrée du rapport E/m est égale à c dans l'exemple suivant. Dans la désintégration du positronium, il y a création et émission de deux rayons gamma d'énergie (mesurée par rayon) Modèle:Nobr Modèle:Unité, en compensation de la disparition de deux masses d'électron.

La masse d'un électron étant de Modèle:Unité, on trouve bien :

<math>\frac E m = \frac{0,82\cdot 10^{-13}\mbox{ J}}{9,11\cdot 10^{-31}\mbox{ kg}} = 9,0 \cdot 10^{16}\,\text{m}^2\text{/s}^2</math>

et donc :

<math>\sqrt{\frac E m} = 3,0\cdot 10^{8}\,\text{m/s} = c.</math>

Bilan masse-énergie dans le domaine nucléaire

[[image:TaskForce One.jpg|vignette|La fameuse équation sur le pont de l'Modèle:USS lors de l'[[Opération Sea Orbit|Opération Modèle:Langue]], dont tous les navires présents étaient propulsés grâce à l'énergie nucléaire.]]

La transformation de masse en énergie est nettement visible dans le bilan des réactions nucléaires au sein des centrales, des piles et des bombes atomiques. L'énergie correspondant à une masse de Modèle:Unité de matière qui serait intégralement transformée en énergie est énorme : Modèle:Nombre. Une telle énergie équivaudrait à celle produite par un réacteur nucléaire d'une puissance électrique de Modèle:Unité pendant deux ans environ<ref group="note">La variation de masse à l'intérieur du réacteur est toutefois supérieure, car la puissance thermique du cœur est plus grande que la puissance électrique produite, du fait d'un rendement global de l'installation d'environ 35 %.</ref> Toutefois, dans une réaction nucléaire, la matière impliquée n'est pas intégralement transformée en énergie, tant s'en faut<ref group="note">En fait, toute transformation d'énergie est évaluable selon cette formule. Dans les autres domaines que le nucléaire (par exemple chimique et gravitationnel), la variation de masse correspondante est généralement indétectable par des instruments de mesure.</ref>.

Production d'énergie des étoiles

Modèle:Article détaillé À l'échelle astronomique, la formule explique également comment les étoiles, comme le Soleil, peuvent émettre leur énergie pendant des milliards d'années, alors que cette situation constituait un mystère pour la physique du début du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, aucune source d'énergie connue à l'époque ne pouvant en rendre compte.

Au centre du Soleil, les conditions physiques sont telles que s'y produisent des réactions nucléaires capables, au bout d'une chaîne de processus, de transformer quatre noyaux d'hydrogène (quatre protons) et deux électrons, en un noyau d'hélium (⁴He) et deux neutrinos électroniques, plus des photons gamma : 4 p⁺ + 2 e^- → ⁴He⁺⁺ + 2 ν_e + 2 γ. Il se produit de l'ordre de Modèle:Unité élémentaires par seconde dégageant une énergie de Modèle:Nobr chacune. Il se trouve que la masse au repos du noyau d'hélium est inférieure à la somme des masses au repos des deux protons et deux neutrons<ref group="note">Dans le processus de fusion nucléaire de l'hydrogène en hélium, la moitié des protons initiaux deviennent des neutrons, par transitions radioactives β⁺.</ref> qui le constituent. L'énergie équivalente à cette différence de masse est la source de l'énergie du Soleil.

Grâce à l'importance du facteur de conversion c² et à la masse considérable convertie, l'énergie libérée permet à l'étoile de briller pendant une bonne douzaine de milliards d'années<ref group="note">Le Soleil approche ainsi de la moitié de sa vie (sur la séquence principale).</ref>. En effet, le flux énergétique des photons émis par le Soleil est de Modèle:Unité<ref>Modèle:Lien web.</ref>, auquel s'ajoute celui des neutrinos de Modèle:Unité, soit un flux énergétique total de Modèle:Unité. Cela correspond à une perte de masse de Modèle:Nobr de tonnes par seconde, impliquant la transformation de quelque Modèle:Nobr de tonnes d'hydrogène en hélium chaque seconde, la perte de masse étant alors d'environ 0,7 % de la masse initialement en jeu<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Phillips, K.J.H., Guide to the Sun, Cambridge University Press, 1995, p. 47-53 (lire en ligne sur Google Livres).</ref>.

Domaines d'application générale de la formule

Domaine moléculaire et atomique

Cette relation s'applique à d'autres domaines que le nucléaire. Par exemple en chimie, lorsque Modèle:Nombre d'hydrogène (soit en pratique Modèle:Nobr de dihydrogène, soit environ Modèle:Nombre) se combinent avec Modèle:Nobr d'oxygène (soit en pratique Modèle:Nobr de dioxygène, soit environ Modèle:Nombre) pour former Modèle:Nobr (soit environ Modèle:Nombre) de vapeur d'eau, environ [[Enthalpie standard de formation|Modèle:Nombre d'énergie]] sont libérés (soit Modèle:Nombre, sachant que l’enthalpie de réaction est de Modèle:Nombre). Cette énergie correspond à une perte de masse d'environ Modèle:Nombre, soit Modèle:Nobr, ce qui entraîne que la masse de l'eau formée est inférieure de cette quantité à la masse initiale de Modèle:Nobr des réactifs, soit une perte de masse relative de Modèle:Nombre.

Le défaut de masse, de l'ordre du dixième de milliardième en valeur relative, est trop infime pour pouvoir être mis en évidence par des mesures expérimentales, qui arrivent au mieux à l'ordre du centième de millionième. C'est pour ça que l'on continue à utiliser sans inconvénient le « théorème classique » de la conservation de la masse dans les réactions chimiques et dans la vie courante<ref group="note">Bien qu'en toute rigueur ce soit inexact. Rappelons que c'est également la mécanique newtonienne qui est utilisée pour le lancement des satellites, la précision de celle d'Einstein n'étant pas requise pour des vitesses si faibles devant celle de la lumière.</ref>.

Les mesures de spectrométrie de masse actuelles (2013) approchent cependant cette précision, et devraient permettre de visualiser directement l'équivalent de masse de l'énergie de liaison moléculaire, comme on le fait avec l'énergie de liaison nucléaire.

Un autre cas d'équivalence entre variation de masse et énergie est donné par le défaut de masse de l'atome le plus simple : la masse de l'atome d'hydrogène <math>_1^1\mbox{H}</math> Modèle:Référence nécessaire est inférieure à la somme des masses de l'électron et du proton d'une quantité juste égale à l'équivalent en masse de l'énergie d'ionisation de l'atome, bien que ce défaut soit tout à fait hors de portée de la mesure courante, puisqu'il vaut 13,6 eV = <math>\Delta m = \frac {13,6\times1,60217653\cdot10^{-19}\;\text{J}} {(2,99792458\cdot10^8\;\text{m/s})^2} \approx 2,4\cdot10^{-35}\;\text{kg}</math> ; c'est-à-dire un peu plus de quatorze milliardièmes (Modèle:Nobr de millionième) des masses d'un proton et d'un électron libres.

Domaine gravitationnel

La masse d'un corps qui s'élève dans un champ de gravitation ne change pas du point de vue d'un observateur qui suit ce corps<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

En revanche, la masse du système global, composé de l'ensemble des masses à l'origine du champ de gravitation, elle, est susceptible d'augmenter :

• elle augmentera d'une quantité équivalente à l'énergie potentielle acquise par l'objet si cette énergie vient de l'extérieur du système ;
• dans le cas contraire, elle n'augmentera pas car l'augmentation de l'énergie potentielle de l'objet sera compensée par la diminution d'une autre source d'énergie intérieure au système (cinétique, ou chimique ou autre)<ref>Modèle:YouTube.</ref>.

Dans des systèmes gravitationnels ordinaires, la quantité d'énergie diffusée sous forme d'ondes gravitationnelles est négligeable. En revanche, dans les fusions de trous noirs, elle peut devenir considérable. Dans le cas de l'évènement GW150914 découvert en 2015, son équivalent était d'environ trois masses solaires pour une masse initiale du système (juste avant fusion) de plus de Modèle:Unité.

Une chute d'eau (ou toute chute d'un corps massif dans le potentiel gravitationnel) peut être considérée comme une « réaction gravitationnelle » : elle émet l'énergie du potentiel gravitationnel de la masse d'eau à l'altitude plus élevée à celle plus basse. La masse de l'eau qui a chuté a aussi décru de l'équivalent de masse de l'énergie émise (ainsi que la masse de l'ensemble Terre + eau) ; qui a été apportée essentiellement par le rayonnement solaire. Une centrale hydroélectrique récupère cette énergie libérée, qui peut être évaluée par la formule d'équivalence comme dans le cas d'une centrale nucléaire.

La chute d'un corps massif dans le potentiel gravitationnel terrestre dégage une énergie qui est une fraction (d'environ) un milliardième de l'énergie de masse initiale du corps (avec une vitesse de libération terrestre de Modèle:Unité). Les objets sur Terre sont liés (à la Terre) avec cette fraction de masse. Mais par exemple, une chute sur une étoile à neutrons (avec une vitesse de libération d'environ Modèle:Unité) dégage environ 25 % de l'énergie de masse initiale du corps chutant<ref group="note">Soit plusieurs dizaines de fois tout le potentiel nucléaire, qui est d'environ 0,9 % de la masse des réactifs de départ.
C'est cette énergie dégagée par la formation de l'étoile à neutrons (par implosion gravitationnelle) qui est la cause de l'explosion des supernovas à effondrement de cœur.</ref>. Théoriquement, la chute d'un corps massif sur un trou noir (avec une vitesse de libération égale à la vitesse de la lumière) pourrait dégager l'intégralité de l'énergie de masse de l'objet chutant, avec un arrêt à l'horizon du trou noir<ref group="note">Théoriquement, il faudrait une force de frottement tendant vers l'infini pour provoquer cet arrêt de l'objet chutant à l'horizon du trou noir.</ref>. Mais cet arrêt est impossible, l'énergie dégagée<ref group="note">Cette énergie dégagée par chute sur un trou noir serait responsable des hypernovas et des quasars.</ref> est une fraction de l'énergie de masse du corps chutant<ref group="note">La masse qu'a le corps se rajoute à celui du trou noir quand il passe l'horizon.</ref>, selon les forces de marée agissant sur lui.

Cette variation de masse pourrait être théoriquement mise en évidence par une expérience de Cavendish, ou bien d'une pesée, d'un corps ayant participé à la chute, avec ces niveaux de précision.

Formulation générale

Si la formule E = mc² concerne une particule au repos, c'est-à-dire une particule dont la vitesse est nulle dans le référentiel choisi, que devient cette expression dans un autre référentiel, avec une particule animée d'une vitesse v ?

Alors que la géométrie euclidienne raisonne sur des points repérés dans l'espace par trois coordonnées, la relativité restreinte raisonne sur des événements repérés dans l'espace-temps par quatre coordonnées, une de temps et trois d'espace. De même que la distance euclidienne entre deux points est invariante par changement de repère, de même la théorie relativiste stipule que le carré de l'intervalle d'espace-temps Δs défini par :

<math>\Delta s^2\ = \,c^2\Delta\tau^2 = c^2\Delta t^2 - \Delta l^2,</math>

où Δt représente l'intervalle de temps entre les deux événements et Δl la distance, est invariant par changement de repère. Autrement dit quand on mesure les coordonnées des mêmes événements dans plusieurs repères (t, x, y, z), (t', x', y', z'), (t", x", y", z") différents respectant pour le passage de l'un à l'autre la transformation de Lorentz, la quantité suivante ne change pas de valeur :

<math>\Delta s^2\ = \,c^2\Delta\tau^2 = c^2\Delta t^2 - \Delta l^2=c^2\Delta t'^2 - \Delta l'^2=c^2\Delta t^2 - \Delta l^2=\cdots</math>

Alors que la mécanique newtonienne considère d'une part l'énergie et d'autre part la quantité de mouvement d'un corps en mouvement, la relativité unifie ces deux concepts dans un objet unique : le quadrivecteur énergie-impulsion. Ce vecteur à quatre dimensions a pour composante temporelle l'énergie E/c de la particule et pour composante spatiale son vecteur impulsion (ou quantité de mouvement) <math>\vec{p}</math> à trois dimensions. Comme il est le pendant du vecteur impulsion mv de la mécanique classique (produit de la masse par la vitesse) il est égal à m u où u est maintenant le quadrivecteur vitesse.

De même que le carré de l'intervalle d'espace-temps était invariant par changement de coordonnées, de même l'est le carré de la norme du quadrivecteur énergie-impulsion. Autrement dit la quantité :

<math>\,(E/c)^2 - p^2</math>

est indépendante du repère dans lequel on l'évalue. Mais séparément, l'énergie et l'impulsion en dépendent.

Dans le repère propre de la particule, celui où elle est au repos, la vitesse, et donc l'impulsion, est nulle. Si on note E₀ l'énergie dans ce repère propre l'invariance de la quantité précédente s'écrit :

<math>\,(E/c)^2 - p^2 = (E_0/c)^2 - 0 \equiv (E_0/c)^2.</math>

La valeur de E₀ nous est donnée par le fameux mc² de sorte que l'on aboutit à l'équation capitale suivante :

<math>E^2/c^2 - p^2\, =\, (m c)^2</math>

ou encore :

<math>E^2 - p^2c^2 \,=\, m^2 c^4.</math>

La théorie montre que dans un repère où la vitesse de la particule est v, l'énergie et la quantité de mouvement sont données par les formules :

<math>\,E = \gamma\,mc^2 \equiv mc^2/\sqrt{1-(v^2/c^2)}</math>

<math>\,p=\gamma\,mv \equiv mv/\sqrt{1-(v^2/c^2)}</math>

où <math>\gamma</math> représente le facteur de Lorentz :

<math>\,\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}.</math>

On vérifie que <math>E^2 - p^2c^2 = m^2 c^4</math> et on déduit de ces formules la relation importante entre énergie et impulsion :

<math>p=(v/c)(E/c).</math>

Cas d'une particule de masse nulle

Le cas d'une particule de masse nulle découle des formules précédentes, et notamment de :

<math>\,p=(v/c)(E/c).</math>

Si une particule a une masse nulle, son énergie est :

<math>E=pc</math>

Et par conséquent Modèle:Nobr.

Réciproquement, si une particule a une vitesse égale à c son énergie est <math>E=pc</math>. En conséquence, sa masse est nulle puisqu'elle est donnée par la formule :

<math>m^2c^4=E^2 - p^2c^2 = 0.</math>

Démontrer expérimentalement qu'une particule a une masse strictement nulle est impossible, mais on peut en revanche lui fixer au moins une limite supérieure. Les particules suivantes ont une masse nulle dans le modèle standard : le photon (quantum d'électromagnétisme et donc entre autres de lumière), le gluon (particule transmettant l'interaction forte) et le graviton (particule transmettant la gravité, non observé, mais dont la relativité générale prédit la masse nulle). Les neutrinos ont longtemps été candidats à cette liste, avant la mise en évidence de l'oscillation des neutrinos.

Cas des tachyons

Quelques physiciens ont envisagé, formellement, le cas de particules qui se déplaceraient plus vite que la lumière. Pour que l'énergie totale soit un nombre positif, on trouve alors comme masse au repos un nombre imaginaire pur. Ce n'est pas une contradiction parce que le tachyon ne serait jamais censé être au repos.

Toutefois, la plupart des physiciens estiment que l'existence de telles particules créerait de tels paradoxes qu'elle est simplement impossible.

Unités

Énergie en unités de masse

Les formules utilisées ci-dessus sont écrites en unités conventionnelles. Mais il peut être commode d'utiliser des unités mieux adaptées à l'espace-temps, en exprimant en particulier une énergie en kilogrammes, autrement dit en prenant comme unité d'énergie l'énergie d'un kilogramme de matière.

D'après la formule :

E (joules) = m (kilogrammes)×[c (m/s)]²,

l'énergie équivalente à la masse d'un kilogramme est :

énergie d'un kilogramme (en joules) = [c (m/s)]².

Par conséquent l'énergie en unités de masse sera :

E (en unités de masse) ≡ E (en kilogrammes) = E (en joules)/(énergie d'un kilogramme en joules) ≡ E (en joules)/[c (m/s)]².

On peut donc écrire :

<math>\,E_\text{(kg)} = E_\text{(J)}/c^2</math>

et en sens inverse :

<math>\,E_\text{(J)} = E_\text{(kg)}\ c^2.</math>

Numériquement :

Modèle:Unité = Modèle:Nombre = Modèle:Nombre

Modèle:Unité = Modèle:Nombre

Modèle:Nombre = Modèle:Nombre

ou dans le système CGS utilisé par habitude en astronomie :

Modèle:Unité = Modèle:Nombre = Modèle:Nombre

Modèle:Nombre = Modèle:Nombre

Modèle:Nombre = Modèle:Nombre.

De la même façon, la réunion du temps et de l'espace en une seule entité invite le physicien à utiliser une même unité, la seconde ou le mètre, pour mesurer les longueurs et les temps<ref group="note">Il est courant dans la vie quotidienne d'utiliser une unité de temps pour indiquer une distance (nous disons par exemple que Montpellier est à trois heures de train de Paris).
En astronomie, il est encore plus courant de mesurer la distance d'un astre en « temps de lumière » par le temps qu'il faut à la lumière pour venir de l'astre en question. Ainsi dira-t-on d'une étoile qu'elle est située « à Modèle:Nombre », ce qui signifie que la lumière qu'elle émet met Modèle:Unité pour nous parvenir : celle que nous recevons aujourd'hui a été émise il y a Modèle:Unité.</ref>.

On a les formules de passage suivantes :

<math>d_{\rm (s)} = \frac{d_{\rm (m)}}{c_{\rm (m.s^{-1})}}</math>

<math>d_{\rm (m)} = c \times d_{\rm (s)},</math>

où d_(s) est le temps mis par la lumière pour parcourir d_(m).

On écrit à l'identique :

<math>t_{\rm (m)} = c \times t_{\rm (s)},</math>

<math>t_{\rm (s)} = \frac{t_{\rm (m)}}{c_{\rm (m.s^{-1})}}</math>

où t_(m) est la distance parcourue par la lumière en t_(s).

L'utilisation d'une unité commune, disons la seconde, pour mesurer distance et temps est riche d'enseignement dans le contexte présent. En effet grâce à ce choix, la vitesse v, rapport d'une distance à un temps, devient sans dimension. Par conséquent l'énergie cinétique newtonienne K = (1/2)mv² prend les dimensions d'une masse, ce qui revient à dire qu'on peut exprimer une énergie en unités de masse. On retrouve donc de façon simple, et néanmoins convenable, l'équivalence entre énergie et masse.

Ainsi, si l'énergie E est exprimée en unités de masse (par exemple en kilogrammes) la formule d'Einstein devient :

<math>\,E_{\rm kg} = m_{\rm kg}</math>

ou plus simplement :

<math>\,E=m.</math>

En fait, en utilisant des unités relativistes, le facteur c disparaît de toutes les formules. Ainsi, la formule donnant l'invariant du vecteur énergie-impulsion s'écrit maintenant :

<math>E_{\rm rel}^2 - p_{\rm rel}^2 = m^2,</math>

où E_rel et p_rel sont exprimés en unités relativistes (c'est-à-dire en kilogrammes).

De même, il est agréable d'écrire le carré du temps propre sous la forme homogène et symétrique :

<math>\Delta\tau^2 = \Delta t^2 - \Delta s^2</math>

sans avoir à traîner des facteurs c.

Masse en électron-volt

En sens inverse il est très courant en physique atomique de mesurer une masse en unités d'énergie. Ainsi la masse d'une particule est souvent donnée en électron-volt.

Fichier:E equals m plus c square at Taipei101.jpg

La fameuse équation sur le gratte-ciel Modèle:Nobr en l'honneur de l'année de la physique 2005.

Un électron-volt vaut Modèle:Nombre, énergie à laquelle correspond la masse Modèle:Unité, soit Modèle:Unité.

On a donc les formules de passage :

<math>\,1 \text{ eV} = 1,783\times 10^{-36}\,\text{kg}</math> ;

<math>\,1 \text{ kg} = 5,610\times 10^{35}\,\text{eV}.</math>

Puisque le nombre sans dimensions qui mesure une certaine grandeur est par définition le rapport entre la grandeur à mesurer et la grandeur choisie pour unité, ce nombre est inversement proportionnel à la valeur de l'unité choisie (si l'unité choisie est plus grande, le nombre qui mesurera la grandeur est lui plus petit).

Ici on a donc :

m (en eV) / m (en kg) = Modèle:Unité / Modèle:Unité,

de sorte que l'on peut écrire :

<math>\,m_\text{(eV)} = 5,610 \times 10^{35} \,m_\text{(kg)}</math> ;

<math>\,m_\text{(kg)} = 1,783 \times 10^{-36} \,m_\text{(eV)}.</math>

Rappelons les multiples usuels :

Modèle:Unité = Modèle:Unité ;

Modèle:Unité = Modèle:Unité ;

Modèle:Unité = Modèle:Unité ;

Modèle:Unité = Modèle:Unité.

Par exemple, la masse de l'électron est de Modèle:Unité/2, celle du proton de Modèle:Unité/2 et celle du neutron est de Modèle:Unité/2.

Énergie cinétique d'une particule

L'énergie totale d'une particule isolée (qui dépend, rappelons-le, du repère choisi) peut s'écrire comme la somme de son énergie au repos mc² et de son énergie cinétique K.

On a donc :

<math>E = mc^2/\sqrt{1-(v^2/c^2)}=mc^2+K.</math>

L'énergie cinétique devient :

<math> \,K\, = E - m c^2 \,=\,m c^2\left( \frac{1}{\sqrt{1 - (v^2/c^2)}} - 1\right).</math>

En utilisant un développement en série entière de cette fonction :

<math>E = \frac{mc^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} = mc^2 + \frac{1}{2}mv^2 + \frac{3}{8} \frac{mv^4}{c^2} +\cdots+ mc^2 \frac{(2n)!}{2^{2n}(n!)^2}\frac{v^{2n}}{c^{2n}} +\cdots</math>

On retrouve bien l'énergie au repos contenue dans la masse (v = 0) :

<math>E = mc^2</math>

Ainsi que l'approximation de l'énergie cinétique pour les faibles vitesses (v << c) :

<math>K = \frac{1}{2}mv^2</math>

Pour les vitesses très proches de celle de la lumière, l'énergie au repos de la particule s'avère négligeable devant l'énergie cinétique :

Modèle:Pertinence détail\equiv \frac{mc^2}{\sqrt{2[1-(v/c)]}}.</math>}}

Validité générale de la formule

En notant m₀ la masse de la particule et E₀ son énergie (équivalente) au repos, l'équation d'Einstein s'écrit :

<math>E_0 = m_0 c^2</math>

On introduit alors la quantité :

<math>m = \gamma m_0</math>

qui n'est plus la masse m₀, mais qui, mesurant l'inertie de la particule dans le repère considéré où elle a cette vitesse v, indique sa masse inerte dans ce repère.

Dans ces conditions, la formule écrite plus haut « E=γm₀c² » donnant l'énergie de la particule prend la même forme :

<math>E=mc^2</math>

l'expression étant alors valable même dans le cas où le corps n'est pas au repos.

Note

Il peut alors y avoir confusion avec la notation classique de « E = mc² », qui se réfère en fait à la masse au repos, qui est m₀ (notée communément m). On peut remarquer en effet que la masse au repos, notée ici m₀, possède une signification physique indépendante du repère choisi car son carré est l'invariant du vecteur énergie-impulsion (en unités relativistes).

Mais bien que cette propriété majeure ne soit pas partagée par la masse inerte m, qui dépend du repère choisi comme l'énergie cinétique et son équivalent de masse (qui est la différence entre m et m₀), la masse inerte m est précisément la masse (totale) du corps considéré dans le système considéré.

Pour preuve, les particules accélérées augmentent leur masse (γm₀), ce qui modifie réellement leur trajectoire (ou les moyens de les maintenir sur leur trajectoire, ce qui est équivalent) dans le repère de l'accélérateur (au repos). On a donc affaire à une véritable grandeur physique qui, bien que relative, montre la validité générale de l'équivalence masse-énergie (qui est en fait toujours vérifiée).

Voir aussi

Bibliographie

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Publications originales

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Ouvrages de vulgarisation scientifique

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Articles connexes

• Théorie de la relativité
• Invariance de Lorentz
• Facteur de Lorentz

Liens externes

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