L’équation la plus célèbre de la physique
En 1905, Albert Einstein, alors employé à l’office des brevets de Berne, publie un court article montrant que la masse d’un corps dépend de son contenu en énergie. Le résultat s’écrit :
E = mc²
- E est l’énergie, en joules.
- m est la masse, en kilogrammes.
- c est la vitesse de la lumière, exactement 299 792 458 mètres par seconde.
Comme c² vaut environ 9 × 10¹⁶, une petite masse correspond à une énergie colossale.
Exemple
Quelle énergie contient 1 gramme de matière, la masse d’un trombone ?
E = 0,001 kg × (299 792 458 m/s)² = 8,99 × 10¹³ J
Cela représente :
- 24 965 422 kWh, soit la consommation électrique annuelle d’environ 5 000 foyers français.
- 21 481 tonnes de TNT, proche de la puissance de la bombe de Nagasaki en 1945.
- 25 heures de production d’un réacteur nucléaire de 1 000 MW.
- L’énergie d’environ 2,8 millions de litres d’essence.
Où la masse se transforme en énergie
- Fission nucléaire : la fission d’un noyau d’uranium 235 libère environ 200 MeV, et les fragments pèsent environ 0,1 % de moins que le noyau de départ. Un réacteur du parc d’EDF fonctionnant un an à pleine puissance ne convertit qu’environ un kilogramme de masse en énergie.
- Fusion nucléaire : le Soleil convertit environ 4 millions de tonnes de masse en énergie chaque seconde, en fusionnant l’hydrogène en hélium avec une perte de masse de 0,7 %. C’est la réaction que le projet ITER, à Cadarache, cherche à maîtriser.
- Réactions chimiques : elles changent aussi la masse, mais d’environ un milliardième, bien trop peu pour être pesé.
- Annihilation : quand la matière rencontre l’antimatière, toute la masse devient énergie. Les TEP-scanners des hôpitaux détectent les rayons gamma issus de l’annihilation de positons avec des électrons.
Dans l’autre sens
L’énergie a aussi une masse. Une batterie chargée pèse un tout petit peu plus qu’une batterie vide, et l’essentiel de la masse d’un proton vient non de ses quarks mais de l’énergie qui les lie. Choisissez « Une énergie en masse » pour trouver la masse équivalente d’une énergie : la production électrique annuelle de la France, environ 500 TWh, correspond à environ 20 kg.
Limites des comparaisons
La comparaison avec les foyers retient environ 4 800 kWh d’électricité par an et par foyer, et celle avec l’essence 8,9 kWh par litre. Une centrale réelle ne transforme qu’un tiers de sa chaleur en électricité : produire autant d’électricité demanderait trois fois plus d’énergie de combustible.