Discuter:Énergie de masse

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Il sera ici question de l'interprétation par Einstein de l'équivalence masse-énergie en partant de cette remarque :

« Justement vous faites erreur. Je le répète, la masse au repos, ou masse propre de l'objet, ne varie pas lorsque celui-ci est en mouvement. C'est la masse relative qui augmente »

Dans un référentiel non-Galiléen, la masse au repos pourra aussi varier (ex un système en rotation)

Nous sommes en réalité dans des référentiels non-Galiléens que nous considérons comme localement Galiléens.

La question est en effet de savoir s'il y a réellement augmentation de la masse-matière au cours du déplacement d'un corps ou si cette masse n'est que relative, la masse au repos restant invariable.

1) L’ambiguïté apparente des mots

Nous allons reprendre la démonstration d’Einstein sur l’équivalence masse/énergie qui se trouve dans son livre «  conceptions scientifiques « éditions flammarion. Page 106 on peut lire «  Maintenant, nous pouvons renverser la relation et dire qu’un accroissement de E dans la quantité d’énergie doit être accompagné d’un accroissement 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 accroissement de poids en rapport avec ce changement ? »

Commentaire Ici, il apparaît que le simple fait de chauffer un corps, d’accroître l’énergie cinétique de ses constituants a pour effet immédiat d’augmenter le poids de ce corps. L’énergie transmise s’est donc transformée en masse que je traduits en première analyse par une élévation de la quantité de matière. En effet, ce corps chauffé n’étant pas en mouvement, nous avons affaire à une hausse interne de la masse. Or, le nombre de constituants n’ayant pas augmenté, cette hausse est uniquement redevable au surcroît d’agitation des atomes, à leur énergie supplémentaire. Je dois donc en conclure en deuxième analyse que la masse-matière n’a pas augmentée : seule l’énergie totale du système s’est élevée mais l’énergie ne s’est pas transformée en masse-matière. Nous rencontrons ici la première difficulté, la première ambiguïté dans l’expression de la loi de l’équivalence masse/énergie.

Cas typique d'un référentiel non-Galiléen, car l'agitation des molécules interne au corps chauffé n'est pas un mouvement restiligne constant (c'est tout au contraire un mouvement chaotique) il en résulte par changement de repère une augmentation de la masse propre de chaque molécule et donc de la masse du corps (à ne pas confondre avec son poids)

2) L’ambiguïté de la démonstration Je passe directement aux pages 112 et 113 qui mettent en place la démonstration pour aboutir à la formulation suivante relative à la quantité totale (P) de mouvement avant l’absorption d’un complexe de rayonnement possédant chacun une énergie E/2 : Je cite maintenant Einstein : "Après l’absorption : Soit M’ la masse de B ( qui est en mouvement relatif par rapport à un autre réferentiel). Nous anticipons ici sur la possibilité que la masse est augmentée par l’absorption de l’énergie E ( ceci est nécessaire pour que le résultat final de notre raisonnement soit cohérent. La quantité de mouvement ( que je noterais moi jjm P’) après absorption est égale à P’ = m’v Nous admettons maintenant la loi de conservation de la quantité de mouvement et l’application relativement à la direction Z .

Ce qui suppose un référentiel Galiléen

Ceci nous donne l’équation :

P’ = Mv + (E/C²)v = M’ v

Ou

M’ – M = E/C²

Cette équation exprime la loi de l’équivalence de l’énergie et de la masse. L’accroissement de l’énergie E est lié à l’accroissement de la masse E/c²

Commentaire

Je veux bien ne pas m’en tenir aux mots (bien qu’Einstein dise que la masse est augmentée par absorption de l’énergie E ) mais lorsqu’il écrit :

M’– M = E/C²

C’est bien la valeur de la masse au repos M qui a été augmentée de E/C² pour se transformer en masse M’ . Quelle est alors la nature de cette augmentation de masse ?

Simplement de l'énergie (équivalence masse-énergie)

Exemple le proton est constitué de 3 quarks (2 up et 1 down)

la masse d'un quark up est de 4 MeV/C² et celle d'un quark down est de 8 MeV/C² (au mieux)

donc la masse totale d'un proton devrait être de 2x4 + 8 = 16 soit 16MeV/C²

hors la masse d'un proton est de 938 MeV/C², soit un surplus de masse de 922 MeV/C²

Quelle est la nature de cette masse suplémentaire : L'énergie de liaison des quarks

3) La démonstration d’Einstein

Comment Einstein met-il en place sa démonstration pour parvenir à cette conclusion ? Soit M’ mesuré relativement au système de référence de K’. M’ et K’ sont en mouvement uniforme v relativement à M et K. La masse M’ est considérée au repos relativement à K’ : sa masse ne varie pas. Considérons maintenant la situation de M’ relativement à K : la masse M’ est en mouvement relatif v. Elle va donc subir une augmentation relative de masse de M. (racine carrée) de 1-v²/c² =M’ Ainsi selon que nous serons dans le système de référence de K ou K’, nous ne mesurons pas la même valeur de masse : nous constaterons une augmentation relative de la masse M’ relativement à K alors même que cette même valeur de masse relativement à K’ n’aura pas variée

commentaire

Nous retrouvons ici l’ambiguïté entr’aperçue : du côté de l’observateur en mouvement K’, la masse ne varie pas. Si elle varie quand elle est mesurée du côté de l’observateur K au repos, il ne peut s’agir que d’un changement relatif et non pas réel : il n’y a pas à proprement parlé de création de matière liée au mouvement puisque vu de K’ la masse ne varie pas. Celui-ci ne perçoit AUCUN changement dans la physique de la masse lorsque celle-ci est en mouvement !

L’augmentation de masse de M’ est toute relative, c’est-à-dire qu’elle n’est pas réelle : la physique relativiste mesure un phénomène qui, vu d’un certain point de vue, ne se produit pas. Tout se passe comme s’il y avait création de matière par élévation de la masse mais comme relativement à M’ on ne constate pas de variation, tout se passe comme si cette élévation relative n’avait aucune conséquence dans le réel de la masse. Comment alors savoir ce qui se passe réellement ?

4) Les effets de la vitesse sur les corps

Je parts d’une autre citation :

"Existence d’une vitesse limite pour les particules En 1964, W. Bertozzi a mis au point une expérience simple destinée à mettre en évidence un désaccord flagrant entre la mécanique classique et l’expérience. L’idée consiste à mesurer à la fois l’énergie cinétique E et la vitesse v et à tracer le graphe représentant E en fonction de V². Suivant la Mécanique classique, ce graphe doit conduire à une droite. L’expérience montre que, si le rapport v/c n’est pas faible devant l’unité, la courbe expérimentale s’éloigne très nettement d’une droite et que l’énergie E continue à croître alors que v tend asymptotiquement vers une valeur limite égale à c. La Mécanique relativiste expliquera parfaitement ces résultats."

Commentaire

Je place maintenant un compteur de vitesse et un autre d’énergie sur K’ et M’ qui sont au repos relatif mais en mouvement selon une vitesse v relativement à M et K pour déterminer quelles sont les conséquences physiques de ce mouvement. Je m’aperçois que : « si le rapport v/c n’est pas faible devant l’unité, la courbe expérimentale s’éloigne très nettement d’une droite et que l’énergie E continue à croître alors que v tend asymptotiquement vers une valeur limite égale à c. »

a) Il se produit un phénomène étrange : bien que M’ et K’ soient en repos relativement l’un à l’autre, ils peuvent constater que chaque unité supplémentaire d’ énergie accordée pour augmenter leur mouvement commun ne se traduit pas par une élévation identique de vitesse. En mécanique classique nous dirions qu’ils sont comme freinés selon une résistance R². Or, la masse de M’ ne variant pas relativement à K’, nous n’avons aucune explication sur la nature de ce phénomène de freinage.

Si M' est observé de K' il ne se passe rien, puisque M' est au repos !!!

b) Si maintenant nous mesurons le mouvement de M’ relativement à K au repos, nous constatons qu’il y a également écart entre énergie et vitesse mais la relativité peut en déterminer la cause : l’élévation relative de masse. Celle-ci en augmentant freine proportionnellement la vitesse qui tend vers C. Ainsi, comme nous le constatons, un effet réel (freinage) est expliqué par un effet relatif (l’augmentation de masse). Il y a donc augmentation de masse mais sans élévation de la quantité de matière : il s’agit d’une augmentation fictive de la masse.

C'est une augmentation réelle de la masse de chaque particule constituant le corps en mouvement.

Si K est un référentiel, K au repos ne veux rien dire (K' est en mouvement par rapport à K et K est en mouvement par rapport à K') il n'existe pas de référentiel absolu.

5) Vitesse et poids Encore une autre citation :

« Lorsqu'un électron se déplace rapidement dans un champ magnétique, sa masse peut être facilement déterminée en mesurant la courbure de sa trajectoire. Lorsque le champ est constant, plus l'électron est lourd, plus son inertie est grande et la courbure de la trajectoire petite. On constate qu'au cours du mouvement, la masse de l'électron est doublée. Les expériences confirment les prédictions d'Einstein: la masse de l'électron augmente exactement de la valeur prédite. L'énergie cinétique de l'électron accéléré est convertie en masse, selon la formule E=mc², qui traduit l'équivalence masse/énergie « 

commentaire

Ainsi, l’électron augmente son inertie en proportion de la vitesse donc sa masse relative – relativement au champ magnétique. Il a bien augmentation de la masse mais il s’agit de la masse relative qui, en augmentant, augmente son inertie. Or, quelle soit relative ou non, l’augmentation de masse se traduit par des effets : une freinage de la particule mesurable par une augmentation de l’inertie. C’est-à-dire qu’elle possède elle-même la capacité de réduire sa vitesse. La particule s’oblige elle-même à limiter sa vitesse sans cause extérieure. Ainsi , la masse au repos reste invariable, mais la masse et l’inertie relatives l’augmentent. Cette augmentation a pour effet de susciter un freinage proportionnel à la vitesse mais cela ne se traduit pas par une élévation de la masse réelle : il n’y a pas de création de matière par le simple fait de mettre en mouvement un corps.

La question « en question » est alors de savoir si l’énergie du mouvement v se transforme en masse-matière ou en masse-énergie, la masse M au repos demeurant invariable. Si M demeure invariable, l’énergie du mouvement v demeurera de l’énergie cinétique et il n’y a pas transformation de l’énergie d’un mouvement en masse : l’équivalence masse-énergie n’a alors plus de sens.

Au contraire masse et energie sont les deux faces de la même pièce ou plus exactement la même chose, il n'y a pas lieu de distinguer la masse-matière de la masse-énergie ni de l'énergie cinétique ou potentielle ou interne, etc....

Mais plus fondamentalement POURQUOI M doit-elle demeurer invariable ? Parce qu’il est inconcevable que de la masse-matière soir créée, que la masse-matière augmente proportionnellement à l’énergie cinétique qui accroît la quantité de mouvement d’un corps. Il faut alors jouer sur cette ambiguïté qui se trouve lovée au cœur de la physique qui oblige à mesurer la valeur d’une masse au moyen de celle de la valeur de son mouvement (on pourrait développer)

D’où la deuxième question POURQUOI M’ doit-elle cependant varier implicitement ( augmentation seulement relative) ? Si M’ n’augmentait pas, si la masse en mouvement ne s’élevait pas, l’intégralité de l’énergie cinétique serait transmise et nous retomberions dans la définition classique de l’énergie E = mv². Si Einstein est contraint d’affirmer que M’ > M, que la masse en mouvement est plus « lourde » que la masse en repos, c’est que celle-ci résiste à sa mise en mouvement et cette résistance est proportionnelle à sa vitesse selon . Cette résistance à son accélération est donc le fait de la masse elle-même qui croît, ce qui lui permet d’argumenter pour distinguer particules matérielles et photons : Citation : « Il est évident qu'un corps de masse infinie ne pourrait plus se déplacer, puisqu'il offrirait une résistance infinie au mouvement. En conclusion, on peut dire qu'aucun corps matériel ne peut se déplacer à v=c.

[[Conclusion]]

Je suis d’accord avec Einstein sur un point : la masse au repos ne varie pas lorsque celle-ci est en mouvement Ce que je conteste c’est la lecture de l'équation de Lorentz. La masse au repos ne varie pas en mouvement, ce qui varie, c’est la résistance externe à son mouvement. Il ne saurait y avoir transformation de l’énergie en masse car l’énergie étant du pur mouvement on ne saurait dire que le mouvement crée de la masse « par lui-même et en lui-même » : il faut des conditions particulière pour la création de particules de matière. La relativité a été confrontée à cette résistance externe mais elle n’a pu l’interpréter autrement qu’en supposant implicitement une augmentation de masse, ce qui lui permettait également de justifier une vitesse limite, laquelle, dans un espace vide de toute résistance n’a aucun sens : aucune limite interne ne s’oppose à l’accroissement de la vitesse d’un corps. Ainsi, il a fallu inventer cette résistance interne sous forme d’élévation fictive de la masse mais qu’il était impossible de justifier dans le « réel ». Aussi, toutes les subtilités liées aux référentiels, aux masses relatives etc, ont-elles permis de dissimuler cette carence de l’analyse. Einstein a mis en équation un phénomène réel, mais l’explication qu’il en donne n’est pas la bonne. La question est alors : quelle est la cause de cette résistance externe que subit un corps lorsque sa vitesse tend vers C et que la relativité analyse comme une augmentation fictive de masse ?

Si je prend l'exemple du photon (sans masse), il est condamné (dans le vide) à se déplacer à la vitesse de la lumière (C) et ceci quelque soit le référentiel, il possède une énergie qui n'est pas le fruit d'une augmentation de masse puisque sa masse "au repos" est nulle. Pourtant ce photon est soumis aux lois de la gravité ! Comme l'a démonté Einstein et vérifié l'expérience.

Je pense que votre analyse se prend un peu les pieds dans les notions de référentiels

Il reste beaucoup de questions ouvertes depuis la relativité générale mais je doute que cette conclusion soit la bonne ;-)

Réponse : Mais si le photon n'a pas de masse, qu'est-ce qui explique que sa vitesse soit limitée à C et non pas infinie ? Einstein pose deux a priori : 1) qu'il n'a pas de masse ( de quoi est-il donc alors composé ? ) et que sa vitesse limite est C ( qu'est-ce qui limite sa vitesse ? ). Toute la démonstration d'Einstein est mathématique mais n'explique pas COMMENT cela fonctionne mécaniquement, qu'elles sont les contraintes effectives et physiques. Il y a simplement un jeu de passe passe avec le système des référentiels qui occulte l'analyse mécanique des phénomènes. Vous dites que le photon est "condamné" dans le vide à se mouvoir à la vitesse C: mais quel est le juge ( la restriction physique) qui condamne ainsi ce pauvre photon ? Silence sur les CAUSES !