Demandez À Ethan: Si Einstein A Raison Et E = mc2, D’Où La Masse Tire-T-Elle Son Énergie?

public de spectateurs, en 1934. Les conséquences de l’application de la relativité aux bons systèmes exigent que, si nous exigeons des économies d’énergie, E = mc^2 doit être valide. Image du domaine public

De toutes les équations que nous utilisons pour décrire l’Univers, peut-être la plus célèbre, E =mc2, est aussi la plus profonde. Découvert par Einstein il y a plus de 100 ans, il nous enseigne un certain nombre de choses importantes. Nous pouvons transformer la masse en énergie pure, par exemple par fission nucléaire, fusion nucléaire ou annihilation matière-antimatière. Nous pouvons créer des particules (et des antiparticules) à partir de rien de plus que de l’énergie pure. Et, peut-être le plus intéressant, cela nous dit que tout objet avec de la masse, peu importe combien nous le refroidissons, le ralentissons ou l’isolons de tout le reste, aura toujours une quantité d’énergie inhérente dont nous ne pourrons jamais nous débarrasser. Mais d’où vient cette énergie? C’est ce que René Berger veut savoir en demandant:

Ma question est, dans l’équation E = mc2, d’où vient l’énergie dans le « m”?

Plongeons dans la matière sur les plus petites échelles pour le découvrir.

avec éventuellement des plus petits se trouvant à l’intérieur de ce qui est connu. Avec l’avènement du LHC, nous pouvons maintenant limiter la taille minimale des quarks et des électrons à 10 ^-19 mètres, mais nous ne savons pas jusqu’où ils vont vraiment, et s’il s’agit de particules ponctuelles, de taille finie ou en réalité de particules composites. Fermilab

La première chose que nous devons faire est de comprendre l’équation E = mc2, et cela signifie décomposer chacun des termes à l’intérieur de celle-ci.

1. E signifie énergie: dans ce cas, la quantité totale d’énergie contenue dans la particule (ou l’ensemble de particules) que nous examinons.
2. m signifie masse: la masse totale au repos de la ou des particules que nous considérons, où « masse au repos” signifie la masse de la particule qui n’est pas en mouvement et qui n’est liée à aucune autre particule par l’une des forces connues (gravitation, forces nucléaires ou force électromagnétique).
3. c2 est la vitesse de la lumière au carré: dans ce cas, juste un facteur de conversion, qui nous indique comment convertir la masse (que nous mesurons en kilogrammes) en énergie (que nous mesurons en joules).

La raison pour laquelle nous pouvons tirer autant d’énergie d’une réaction nucléaire provient directement de cette équation, E = mc2.

Atoll d’Enewetak. Le test faisait partie de l’opération Ivy. Mike a été la première bombe à hydrogène jamais testée. Une libération de cette quantité d’énergie correspond à environ 500 grammes de matière convertis en énergie pure: une explosion étonnamment grande pour une si petite quantité de masse. Les réactions nucléaires impliquant la fission ou la fusion (ou les deux, comme dans le cas d’Ivy Mike) peuvent produire des déchets radioactifs extrêmement dangereux à long terme. Administration nationale de la Sécurité Nucléaire / Bureau du site du Nevada

Même si nous devions convertir un seul kilogramme (1 kg) de masse en énergie, le fait que c2 signifie nécessairement que nous obtiendrions l’équivalent de 21.5 mégatonnes de TNT d’énergie provenant de cette conversion. Cela explique pourquoi le Soleil produit autant d’énergie; pourquoi les réacteurs nucléaires sont si efficaces; pourquoi le rêve d’une fusion nucléaire contrôlée est le « saint graal” de l’énergie; et pourquoi les bombes nucléaires sont à la fois si puissantes et si dangereuses.

Mais il y a aussi un côté plus heureux à E=mc2. Cela signifie qu’il existe une forme d’énergie qui ne peut pas être enlevée à une particule, peu importe ce que vous lui faites. Tant qu’elle existera, cette forme d’énergie restera toujours avec elle. C’est fascinant pour un certain nombre de raisons, mais la plus intéressante est peut-être que toutes les autres formes d’énergie peuvent vraiment être éliminées.

l’Univers détermine quand et dans quelles conditions ils peuvent être créés, et décrit également comment ils courberont l’espace-temps en Relativité générale. Les propriétés des particules, des champs et de l’espace-temps sont toutes nécessaires pour décrire l’Univers dans lequel nous habitons. Figue. 15-04a à partir de universe-review.ca

Par exemple, une particule en mouvement a de l’énergie cinétique : l’énergie associée à son mouvement à travers l’Univers. Lorsqu’un objet massif en mouvement rapide entre en collision avec un autre objet, il lui donnera à la fois de l’énergie et de l’élan à la suite de la collision, indépendamment de ce qui se produit d’autre. Cette forme d’énergie existe au-dessus de l’énergie de masse restante de la particule; c’est une forme d’énergie intrinsèque au mouvement de la particule.

Mais c’est une forme d’énergie qui peut être éliminée sans changer la nature de la particule elle-même. Simplement en vous stimulant pour vous déplacer avec la même vitesse exacte (magnitude et direction) que la particule que vous regardez, vous pouvez diminuer l’énergie totale de cette particule, mais seulement jusqu’à un certain minimum. Même si vous supprimez toute son énergie cinétique, son énergie de masse au repos, la partie définie par E = mc2, restera inchangée.

Soleil, qui se déplace ensuite à travers la galaxie dans une direction de mouvement différente. Notez que les planètes sont toutes dans le même plan et ne traînent pas derrière le Soleil ni ne forment un sillage d’aucun type. Si nous devions nous déplacer par rapport au Soleil, il semblerait qu’il ait beaucoup d’énergie cinétique; si nous nous déplacions avec la même vitesse que lui dans la même direction, cependant, son énergie cinétique tomberait à zéro. Rhys Taylor

Vous pourriez penser que cela signifie que vous pouvez supprimer toute forme d’énergie autre que l’énergie de masse de repos, alors, pour n’importe quel système. Toutes les autres formes d’énergie auxquelles vous pouvez penser — énergie potentielle, énergie de liaison, énergie chimique, etc. – sont séparés de la masse de repos, c’est vrai. Dans les bonnes conditions, ces formes d’énergie peuvent être enlevées, ne laissant derrière elles que les particules nues, immobiles et isolées. À ce stade, la seule énergie qu’ils auraient est leur énergie de masse de repos: E = mc2.

Alors d’où vient la masse de repos, le m en E = mc2? Vous pourriez être prompt à répondre « le Higgs”, ce qui est partiellement correct. Dans les premiers stades de l’Univers, moins de 1 seconde après le Big Bang, la symétrie électrofaible qui unifiait la force électromagnétique à la force nucléaire faible a été rétablie, se comportant comme une seule force. Lorsque l’Univers s’est suffisamment étendu et refroidi, cette symétrie s’est brisée, et les conséquences pour les particules du Modèle standard ont été énormes.

top), tout est symétrique et il n’y a pas d’état préféré. Lorsque la symétrie est brisée aux énergies inférieures (boule bleue, bas), la même liberté, de toutes les directions étant les mêmes, n’est plus présente. Dans le cas d’une rupture de symétrie électrofaible, le champ de Higgs se couple aux particules du Modèle standard, ce qui leur donne une masse. Phys. Aujourd’Hui 66, 12, 28 (2013)

Pour l’une, de nombreuses particules — y compris tous les quarks et les leptons chargés – ont acquis une masse de repos non nulle. En raison du couplage de chacun de ces quanta d’énergie au champ de Higgs, un champ quantique qui imprègne l’Univers, de nombreuses particules ont maintenant une masse de repos non nulle. C’est une réponse partielle à l’origine de l’énergie dans le m pour ces particules: de leur couplage à un champ quantique fondamental.

Mais ce n’est pas toujours aussi simple que ça. Si vous prenez la masse d’un électron et essayez de l’expliquer en fonction du couplage de l’électron au Higgs, vous réussirez à 100%: la contribution du Higgs à la masse de l’électron vous donne exactement la masse de l’électron. Mais si vous essayez d’expliquer la masse du proton avec cela, en additionnant les masses restantes des quarks et des gluons qui le composent, vous arriverez à court. Bien court, en fait: au lieu d’obtenir la valeur réelle de 938 MeV / c2, vous n’obtiendrez que ~ 1% du chemin.

modèle standard (d’une manière qui affiche les relations et les modèles clés de manière plus complète, et moins trompeuse, que dans l’image plus familière basée sur un carré de particules 4×4). En particulier, ce diagramme représente toutes les particules du Modèle standard (y compris leurs noms de lettres, leurs masses, leurs spins, leur maniabilité, leurs charges et leurs interactions avec les bosons de jauge : c’est-à-dire avec les forces fortes et électrofaibles). Il décrit également le rôle du boson de Higgs et la structure de la rupture de symétrie électrofaible, indiquant comment la valeur d’attente du vide de Higgs rompt la symétrie électrofaible et comment les propriétés des particules restantes changent en conséquence. Latham Boyle et Mardus de Wikimedia Commons

Puisque les protons (et d’autres noyaux atomiques apparentés) sont tous constitués de quarks et de gluons et composent la majorité de la masse de la matière normale (connue) dans l’Univers, il doit y avoir un autre contributeur. Dans le cas des protons, le coupable est la force nucléaire forte. Contrairement aux forces gravitationnelles et électromagnétiques, la force nucléaire forte — basée sur la chromodynamique quantique et la propriété de « couleur” des quarks et des gluons — devient en fait plus forte plus deux quarks s’éloignent.

Composé de trois quarks chacun, chaque nucléon d’un noyau atomique est maintenu ensemble par des gluons échangés entre ces quarks : une force semblable à un ressort qui devient plus forte plus les quarks s’éloignent. La raison pour laquelle les protons ont une taille finie, bien qu’ils soient constitués de particules ponctuelles, est due à la force de cette force et aux charges et couplages des particules à l’intérieur du noyau atomique.

l’existence de la « charge de couleur » et l’échange de gluons, est responsable de la force qui maintient les noyaux atomiques ensemble. Un gluon doit être constitué d’une combinaison couleur / couleur pour que la force forte se comporte comme elle le doit et le fait. Utilisateur de Wikimedia Commons Qashqaiilove

Si les quarks pouvaient en quelque sorte être libérés, la majeure partie de la masse de l’Univers serait reconvertie en énergie ; E=mc2 est une réaction réversible. À très hautes énergies, comme dans l’Univers très précoce ou dans des collisionneurs d’ions lourds comme RHIC ou au LHC, ces conditions ont été atteintes, créant un plasma quark-gluon. Cependant, une fois que les températures, les énergies et les densités tombent à des valeurs suffisamment basses, les quarks se confinent à nouveau, et c’est de là que provient la majorité de la masse de matière normale.

En d’autres termes, il est beaucoup moins énergétiquement favorable d’avoir trois quarks libres — même avec la masse de repos non nulle qui leur est donnée par le Higgs – que d’avoir ces quarks liés ensemble en particules composites comme les protons et les neutrons. La majorité de l’énergie (E) responsable des masses connues (m) dans notre Univers provient de la force forte, et de l’énergie de liaison introduite par les règles quantiques régissant les particules avec une charge de couleur.

son spin, mais aussi les gluons, les quarks de mer et les antiquarks, ainsi que le moment angulaire orbital. La répulsion électrostatique et la force nucléaire attractive, en tandem, sont ce qui donne au proton sa taille, et les propriétés du mélange de quarks sont nécessaires pour expliquer la suite de particules libres et composites dans notre Univers. La somme des différentes formes d’énergie de liaison, avec la masse de repos des quarks, est ce qui donne la masse au proton et à tous les noyaux atomiques. APS/Alan Stonebraker

Ce que nous avons tous appris il y a longtemps est toujours vrai: l’énergie peut toujours être convertie d’une forme à une autre. Mais cela ne se produit qu’à un coût: le coût de pomper suffisamment d’énergie dans un système afin d’éliminer cette forme supplémentaire d’énergie. Pour l’exemple d’énergie cinétique plus tôt, cela signifiait augmenter votre vitesse (en tant qu’observateur) ou la vitesse de la particule (par rapport à vous, l’observateur) jusqu’à ce qu’elles correspondent, qui nécessitent toutes deux l’apport d’énergie.

Pour d’autres formes d’énergie, cela peut être plus complexe. Les atomes neutres sont ~ 0.0001% moins massive que les atomes ionisés, car la liaison électromagnétique des électrons aux noyaux atomiques dégage environ ~ 10 eV d’énergie chacun. L’énergie potentielle gravitationnelle, résultant de la déformation de l’espace due à une masse, joue également un rôle. Même la planète Terre, dans son ensemble, est environ 0,00000004% moins massive que les atomes qui la composent, car l’énergie potentielle gravitationnelle de notre monde totalise jusqu’à 2 × 1032 J d’énergie.

grille, en abaissant une masse, ce qui aurait été des lignes « droites » devient incurvé d’une quantité spécifique. La courbure de l’espace due aux effets gravitationnels de la Terre est une visualisation de l’énergie potentielle gravitationnelle, qui peut être énorme pour des systèmes aussi massifs et compacts que notre planète. Christopher Vitale de Networkologies et du Pratt Institute

En ce qui concerne l’équation la plus célèbre d’Einstein, E =mc2 nous dit que tout ce qui a une masse a une quantité fondamentale d’énergie inhérente qui ne peut être éliminée par aucun moyen. Ce n’est qu’en détruisant entièrement l’objet — soit en le faisant entrer en collision avec de l’antimatière (provoquant la libération d’énergie), soit en y pompant suffisamment d’énergie (pour les particules composites uniquement, en laissant intacts ses constituants fondamentaux) — que nous pouvons convertir cette masse en énergie sous une forme ou une autre.

Pour les particules fondamentales du Modèle Standard, le champ de Higgs et son couplage à chacune de ces particules fournissent l’énergie qui constitue la masse, m. Mais pour la majorité de la masse connue dans l’Univers, protons, neutrons et autres noyaux atomiques, c’est l’énergie de liaison qui provient de la force forte qui nous donne la majeure partie de notre masse, m. Pour la matière noire? Personne ne le sait encore, mais ce pourrait être le Higgs, une forme d’énergie de liaison, ou autre chose entièrement nouvelle. Quelle que soit la cause, cependant, quelque chose fournit l’énergie nécessaire à cette masse invisible. E= mc2 est sûr de rester vrai.

Envoyez vos questions Ask Ethan à startswithabang sur gmail dot com!

Suivez-moi sur Twitter. Consultez mon site Web ou certains de mes autres travaux ici.