L’équation d’Einstein, E=mc2 indique que l’énergie (E) et la masse (m) d’un objet sont intrinsèquement liées, avec c, la vitesse de la lumière, comme facteur de proportionnalité. Cette équation révèle qu’une petite quantité de masse peut être convertie en une immense quantité d’énergie, ce qui est fondamental pour comprendre les réactions nucléaires. Elle est cruciale car elle explique les processus énergétiques au cœur des étoiles et a ouvert la voie à des technologies comme l’énergie nucléaire, tout en modifiant notre compréhension de la matière et de l’énergie.
Explications
On sait depuis un siècle que les noyaux des atomes peuvent eux-mêmes produire de l’énergie soit, pour les plus gros, en se fractionnant (c’est la fission nucléaire), soit, pour les plus petits, en fusionnant entre eux (c’est la fusion thermonucléaire). Il existe donc une énergie potentielle d’origine nucléaire. Celle-ci peut se traiter de façon très analogue à l’énergie chimique, même si les ordres de grandeurs sont différents. Mais se pose alors la question suivante : puisque jusqu’ici nous avions en quelque sorte oubliée la composant nucléaire de l’énergie potentielle, n’y aurait-il pas une définition globale de l’énergie contenue dans une certaine quantité de matière, toutes énergies possibles confondues. La réponse vient cette fois-ci de la théorie de la relativité. Celle-ci arrive à la conclusion que dans toute masse m de matière est contenue l’énergie mc², où c est la vitesse de la lumière dans le vide, soit à peu près 300 000 km par seconde. Cette énergie est considérable, notamment par rapport aux énergies mises en jeu dans les réactions chimiques. C’est ce qui fait que la variation de masse lors de la production d’énergie par voie chimique est totalement négligeable. Ce n’est plus le cas pour les réactions nucléaires, qui illustrent parfaitement cette loi.
Précisons la chose : dans l’équation E=mc², m est la masse totale des particules considérées. Or la même théorie de la relativité dit que la masse d’une particule augmente avec sa vitesse. Si m₀ est sa masse au repos, lorsqu’elle se déplace à la vitesse v, sa masse devient m₀/√(1-v²/c²). Si la vitesse v est très inférieure à c, l’énergie mc² vaut à peu près m₀c² (1 + ½.v²/c²) soit m₀c² + ½ m₀.v², et l’on retrouve l’énergie relativiste au repos plus l’énergie cinétique habituelle. Dans un réacteur nucléaire, on constate bien que la masse au repos des particules en présence diminue, et que cette perte de masse se retrouve sous forme d’augmentation de la masse des particules en mouvement, notamment des neutrons, dont l’énergie cinétique est convertie en chaleur dans un milieu qui les arrête, cette chaleur étant ensuite convertie en électricité.
Une formule universelle
Peut-on transformer toute la masse d’une particule en énergie ? En fait ceci se produit lors de l’annihilation d’une particule par son antiparticule (un électron par un positon) comme on peut l’observer auprès de grands accélérateurs. Les deux particules disparaissent pour donner lieu à l’émission de deux photons, des particules de lumière dont la masse au repos est nulle, et qui de ce fait n’existent qu’en se déplaçant à la vitesse de la lumière. On peut alors leur associer une masse en mouvement et une énergie liée à cette masse.
Le premier principe, celui de la conservation de l’énergie reste toujours valable et se traduit par la conservation de la masse mais en tenant compte de la variation de masse avec la vitesse. Dans la pratique, on ne transforme en énergie utilisable (chaleur, mécanique, électrique) qu’une très petite partie de l’énergie mc². Infime pour les transformations chimiques, nettement plus importantes pour l’énergie de fission nucléaire (celle des centrales nucléaires actuelles), et encore plus importante pour la fusion thermonucléaire, mais dont la maîtrise est encore loin d’être acquise.
