La masse: un énorme mensonge

Depuis toujours, la physique remet en cause ses notions, même les plus fondamentales. La masse est une propriété intrinsèque du corps qui intervient dans une multitude de domaines, dans les lois de la dynamique ou encore dans la gravitation. Elle a été admise comme une grandeur fondamentale par Isaac Newton en 1687 dans Principia Mathematica.

Plusieurs masses...

Il est établi que la masse inertielle mesure la difficulté pour une force extérieure à modifier la vitesse d'un corps. Pour une même force appliquée, plus la masse inertielle est élevée, moins l’accélération est grande. On retrouve toujours la masse inertielle dans un contexte d'accélération (cf loi de l'inertie et du mouvement de Newton).

La masse gravitationnelle est dite comme une contribution à une force de gravitation : il n'y a aucune différence entre 1kg de plomb et 1kg de plume. Tous les corps exercent les uns sur les autres une force appelée la gravitation (cf loi de la gravitation universelle de Newton).

... en une seule !

D'après la deuxième loi de Newton: F=a.mᵢ (avec a l'accélération et mᵢ la masse inertielle). D'après la loi de la gravitation universelle: P=g.m (avec g=G.M/r² l'intensité du champs pesanteur, m la masse grave et P le poids). Si F=P, alors a.m=g.m, alors a=(m/mᵢ)g. En sachant que tous les corps ont la même accélération en chute libre, m/mᵢ =1 ( pour que a=g, m doit être égal à mᵢ ). Donc les masses inertielle et gravitationnelle sont égales. Ceci est appelé le principe d'équivalence faible. Ce n'est cependant qu'un constat expérimental qui reste à ce jour inexpliqué.

masse grave = masse inertielle

Qu'en pensait Einstein?

A l'école, on nous apprend que la masse mesure la quantité de matière dans un corps. Mais en 1905, Einstein énonce dans la théorie de la relativité restreinte qu'un objet peut perdre de la masse sans en perdre: un corps peut émettre de la lumière (photon) mais ne perd pas de masse car les photons n'en ont pas. Mais en émettant un corps, on perd de la masse... Donc cette définition de la masse est fausse. C'est ainsi qu'il a écrit E=mc² [E²=(mc²)²+(pc)²]. Prenons l'exemple d'une collision entre un électron et un proton: ici, l'énergie des deux particules se transforme (cf collisionneur de hadrons), créant ainsi de nouvelles particules (et confirme l'existence de nouvelles particules comme le boson de Higgs). On constate alors que la masse de ces particules néoformées est supérieure à celle des particules d'origines. Donc la masse ne se conserve pas. C'est la transformation de l'énergie en masse qui est expliquée par E=mc².

Grand collisionneur de hadrons

Mais cette formule a d'autres implications : l'inertie n'est plus liée à la masse du corps mais à son énergie. On peut donc en conclure que I=E/c²( avec I l'inertie): si on augmente la vitesse d'un corps, son énergie et donc son inertie augmentent. Mais à un moment, l'inertie est trop grande et on ne peut plus accélérer. Il existe donc une limite, la vitesse de la lumière, qui devient une constante.

Cette équation prévoit aussi que certaines particules comme les photons n'aient pas de masse, ce qui est inconcevable en physique newtonienne. On constate ainsi que la masse s'éloigne de la matérialité. D'ailleurs, d'après les équations du modèle standard, il serait plus naturel que les particules n'aient pas de masse.

La masse ne serait qu'une conséquence ?

Ainsi, on en a conclu que la masse n'est pas une propriété intrinsèque mais secondaire qui résulte d'un couplage entre les particules et leur environnement: une particule libre, qui n'a pas d'interaction, voyagera à sa vitesse max. A partir du moment où elle interagit avec celui-ci, elle ralentit, lui donne de l'inertie et donc de la masse. On sait que cette interaction se fait avec des bosons de Higgs, qui sont associés à un champ quantique omniprésent. Les particules n'ayant pas de masse n'ont donc pas d’interaction avec ce champs.

Représentation d'un champs de Higgs

Cependant, de nombreux mystères restent encore à résoudre autour de la masse: par exemple, le proton se compose de quarks et de gluons. En sachant que la masse des quarks ne représente que 2% de celle du proton et que les gluons n'ont pas de masse, soit pas d'interaction avec le champ de Higgs, nous sommes en droit de nous demander d'où proviennent les 98% restants...

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