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E = mc2 et la paix selon Einstein

Xuan

Posté le 28-12-2017 à 21:09:51

Une explication très claire d'Einstein sur la relativité générale et sur le risque de guerre atomique

E=mc2 par Einstein

Considérons, par exemple, un pendule dont la masse oscille entre les points A et B. En ces points la masse m est surélevée de la hauteur h au-dessus de C, qui est le point le plus bas du chemin. En C, au contraire, la surélévation est zéro et la masse est maintenant animée d'une vitesse v. C'est comme si la hauteur pouvait être entièrement convertie en vitesse, et inversement. La relation exacte est exprimée par mgh = ½ mv2 où g représente l'accélération de la pesanteur. Ce qui est ici intéressant, c'est que cette relation est indépendante de la longueur du pendule et de la forme du chemin que la masse parcourt.

Cela signifie qu'il y a quelque chose qui reste constant dans tout le processus, et ce quelque chose est de l'énergie. En A et en B c'est de l'énergie de position ou de l'énergie « potentielle », en C c'est de l'énergie de mouvement ou de l'énergie « cinétique ». Si ce concept est correct, la somme mgh +1/2mv2 doit avoir la même valeur pour n'importe quelle position du pendule, s'il est entendu que h représente la hauteur au-dessus de C et v la vitesse en ce point du chemin que parcourt le pendule. Tel est réellement le cas. La généralisation de ce principe nous donne la loi de la conservation de l'énergie mécanique. Mais qu'arrive-t-il quand le pendule est arrêté par le frottement ?

La réponse à cette question est fournie par l'étude des phénomènes calorifiques. Cette étude, basée sur la supposition que la chaleur est une substance indestructible qui s'écoule du chaud vers le froid, semblait nous donner un principe de la « conservation de la chaleur ». D'autre part, depuis des temps immémoriaux, on savait que la chaleur peut être produite par le frottement, comme les Indiens font du feu en se servant de forets. Les physiciens furent pendant longtemps incapables d'expliquer ce type de production de chaleur. Ils triomphèrent de ces difficultés seulement quand il fut établi que pour produire une certaine quantité de chaleur par frottement, il fallait dépenser une quantité rigoureusement proportionnelle d'énergie. C'est de cette façon que fut obtenu le principe de « l'équivalence du travail et de la chaleur » . Dans le cas de notre pendule, par exemple, de l'énergie mécanique est graduellement convertie par le frottement en chaleur.

De cette façon, les principes de la conservation de l'énergie mécanique et de l'énergie thermique furent fondus en un seul principe. Là-dessus, les physiciens étaient persuadés que le principe de conservation pouvait être étendu de façon à englober les processus chimiques et électromagnétiques — bref, il pouvait être appliqué à tous les domaines. Il devint manifeste que dans notre système physique la somme totale des énergies reste constante à travers tous les changements qui puissent se produire.

Examinons maintenant le principe de la conservation de la masse. La masse est définie par la résistance qu'un corps oppose à son accélération (masse inerte). Elle est aussi définie par le poids du corps (masse pesante). Que ces deux définitions radicalement différentes conduisent à la même valeur de la masse d'un corps, est en soi un fait étonnant.
Conformément au principe que les masses restent quantitativement invariables dans tous les changements physiques ou chimiques, la masse paraissait être la propriété essentielle de la matière (parce qu'elle était invariable). Ni l'échauffement, ni la fusion, ni la vaporisation, ni la combinaison en composés chimiques ne pourraient changer la masse totale.

Les physiciens ont accepté ce principe jusqu'à il y a quelques décades. Mais il se montra inadéquat en présence de la théorie de la relativité restreinte. C'est pourquoi il fut fondu dans le principe de l'énergie, exactement comme, il y a soixante ans, le principe de la conservation de l'énergie mécanique a été combiné avec celui de la conservation de la chaleur. On peut dire que le principe de la conservation de l'énergie, après avoir absorbé celui de la conservation de la chaleur, a fini par absorber celui de la conservation de la masse et occupe seul le terrain.

Il est d'usage d'exprimer l'équivalence de la masse et de l'énergie (bien que d'une façon quelque peu inexacte) par la formule E=mc2 où c représente la vitesse de la lumière, environ 300 000 km par seconde. E est l'énergie contenue dans un corps au repos, m est sa masse. L'énergie qui appartient à la masse m est égale à cette masse, multipliée par le carré de l'énorme vitesse de la lumière, ce qui veut dire, une somme énorme d'énergie pour chaque unité de masse.

Mais si chaque gramme de matière contient cette énergie prodigieuse, comment se fait-il qu'elle n'ait pas été remarquée pendant si longtemps ? La réponse est toute simple : tant que l'énergie n'est pas émise extérieurement, elle ne peut pas être observée. C'est comme un homme fabuleusement riche qui ne dépense ni ne donne jamais rien ; personne ne pourrait savoir combien il est riche.

Maintenant, nous pouvons renverser la relation et dire qu'un accroissement de E dans la quantité d'énergie doit être accompagné d'un accroissement de E / c2 dans la masse. Je puis facilement fournir de l'énergie à la masse, par exemple en la chauffant de 10 degrés. Pourquoi alors ne pas mesurer l'accroissement de la masse ou l'accroissement du poids en rapport avec ce changement ?
L'ennuyeux ici est que dans l'accroissement de la masse le facteur énorme c2 figure comme dénominateur de la fraction. Dans un tel cas, l'accroissement est trop petit pour pouvoir être mesuré directement, même en employant la balance la plus sensible.

Pour que l'accroissement d'une masse soit mesurable, il faut que le changement d'énergie par unité de masse soit énormément grand. Nous ne connaissons qu'un domaine où de telles quantités d'énergie par unité de masse soient libérées, c'est la désintégration radioactive.
Schématiquement, le processus se déroule de la façon suivante :

Un atome de masse M se divise en deux atomes de masse M' et M", qui se séparent avec une énergie cinétique énorme. Si nous imaginons ces deux masses immobilisées, c'est-à-dire si nous leur enlevons cette énergie de mouvement, alors elles seront, prises ensemble, essentiellement plus pauvres en énergie que l'atome originel.

Conformément au principe d'équivalence, la somme des masses M' + M", produite par la désintégration, doit aussi être un peu plus petite que la masse originelle M de l'atome, ce qui contredit le vieux principe de la conservation de la masse. La différence relative des deux valeurs est de l'ordre de 1/10 pour cent.

Or, nous ne pouvons pas en réalité peser les atomes individuellement. Il existe cependant des méthodes indirectes pour déterminer leurs poids avec exactitude. Nous pouvons également déterminer les énergies cinétiques qui sont transmises aux produits de la désintégration M' et M".

Il est ainsi devenu possible d'éprouver et de confirmer la formule d'équivalence. La loi nous permet aussi de calculer d'avance, d'après les poids atomiques déterminés avec précision, combien d'énergie sera libérée par la désintégration atomique à laquelle nous pensons. La loi ne nous dit naturellement pas si, ou comment, la réaction de désintégration peut être provoquée.

Ce qui se passe peut être illustré par l'exemple de notre richard. L'atome est le riche avare qui, pendant sa vie, ne dépense point d'argent (énergie). Mais dans son testament il lègue sa fortune à ses deux fils M' et M", sous la condition qu'ils donnent une petite somme à la communauté, moins d'un millième de toute sa fortune (énergie ou masse). La fortune des deux fils est un peu moindre que celle qu'avait possédée le père (la somme des masses M' + M" est un peu plus petite que la masse M de l'atome radioactif).

Mais la part donnée à la communauté, bien que relativement petite, est encore tellement énorme (considérée comme énergie cinétique) qu'elle porte en elle une grande menace de malheur.
Détourner cette menace est devenu le problème le plus urgent de notre temps.

[Conceptions scientifiques – Albert Einstein]