Comment comprendre la formule E=mc2

C'est sous le stylo d'Albert Einstein que, dans le cadre de ses travaux sur la relativité restreinte, apparait pour la première fois la désormais célébrissime formule : E = mc², dans laquelle E est l'énergie, m, la masse et c, la vitesse de la lumière dans le vide ^{[1]
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Source de recherche}. Qui oserait dire qu'il n'en a jamais entendu parler ? Malgré sa brièveté, elle a bouleversé le monde d'alors et continue à le transformer. Si elle est connue, ce n'est pas pour autant qu'on sait ce qu'elle implique. Dit de façon simpliste, cette formule établit un lien entre matière et énergie. Selon Einstein, il est possible de passer d'un état à l'autre ^{[2]
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Source de recherche}. Ce fut une révolution au tournant de ce siècle, on ne pense plus la matière de la même façon depuis. On ne compte plus les avancées technologiques issues de cette simple formule.

Partie 1

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Comprendre la formule

1
Décomposons la formule. En physique, comme en chimie, il faut savoir décrypter les différents éléments d'une formule. Ici, E est l'énergie, m, la masse et c, la vitesse de la lumière dans le vide.
- La vitesse de la lumière, la constante c, est de 3,00 x 10⁸ mètres/seconde. Elle est élevée au carré pour des raisons de conversion. Un objet se déplaçant deux fois plus vite qu'un autre objet (de même masse) a une énergie quatre plus importante ^{[3]
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  Source de recherche}.
- La vitesse de la lumière est une constante, car si vous transformez de la matière en énergie, cette dernière se déplacera à la vitesse de la lumière ^{[4]
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  Source de recherche}.
2
Voyons ce qu'on entend par énergie. L'énergie se présente sous différentes formes : calorifique, électrique, chimique, nucléaire, etc. ^{[5]
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Source de recherche}. Lors d'un transfert entre deux systèmes, l'énergie générée par un des systèmes est récupérée par l'autre. L'unité internationale d'énergie est le joule (J).
- L'énergie n'est ni créée ni détruite : elle se transforme (Lavoisier). Le charbon est une source d'énergie qui, en brulant, dégage de l'énergie calorifique.
3
Qu'appelle-t-on masse ? Pour faire simple, la masse est définie comme étant la quantité de matière qui compose un corps ^{[6]
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Source de recherche}.
- Les termes de masse et de poids ne sont pas interchangeables. Le poids mesure la force de pesanteur qui s'exerce, à un endroit donné du globe, sur un corps. Par contre, la masse est, comme cela a été dit plus haut, la quantité de matière qui compose ce corps. La masse d'un objet varie si cette dernière est altérée (destruction chimique ou physique). Il n'en va pas de même du poids qui varie en fonction de la pesanteur du lieu où on se trouve. L'unité de masse est le kilogramme (kg), celle du poids est le newton (N).
- À l'image de l'énergie, une masse n'est ni créée ni détruite : elle se transforme. Ainsi, un glaçon, en fondant, passe à l'état liquide, mais la masse reste toujours la même.
4
Il existe une équivalence entre masse et énergie ^{[7]
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Source de recherche}. La formule d'Einstein pose que masse et énergie sont, au-delà de la forme, interchangeables. Tout corps, si minime soit-il, contient des quantités fabuleuses d'énergie. Cela s'explique par la multiplication de la masse par la vitesse de la lumière au carré.

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Partie 2

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Les retombées pratiques de la formule E = mc²

1
Comprenez bien d'où vient l'énergie que nous consommons aujourd'hui. À l'échelle mondiale, une grande partie de notre énergie provient de ressources épuisables, comme le charbon et le gaz naturel. Ces sources d'énergie sont faciles à bruler en raison de leurs structures chimiques. En effet, les électrons qui se trouvent sur la dernière couche électronique (électrons de valence) sont faciles à détacher. Quand on chauffe de telles sources d'énergie, on assiste à un dégagement d'énergie, laquelle est récupérée par les hommes.
- Une telle production d'énergie est très couteuse et dévastatrice pour l'environnement.
2
Einstein a prouvé qu'on pouvait obtenir des rendements énergétiques plus élevés. E = mc² sous-entend qu'il y a bien plus d'énergie stockée dans le noyau que dans les électrons qui gravitent autour de ce même noyau. Casser un atome, quel qu'il soit, dégage infiniment plus d'énergie que briser des liaisons électroniques.
- La production d'énergie nucléaire est basée sur ce principe. Dans les réacteurs des centrales, on pratique la fission nucléaire qui consiste à casser des noyaux d'uranium avec des neutrons. La quantité d'énergie ainsi récupérée est considérable.
3
Voyez toutes les technologies rendues possibles par E = mc². Cette formule a permis (et permettra, sans nul doute) la mise au point de très nombreuses innovations devenues indispensables aujourd'hui ^{[8]
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Source de recherche} :
- En médecine, les PET scans utilisent la radioactivité pour explorer l'intérieur du corps humain et établir des diagnostics.
- La formule a permis le développement des télécommunications qui transitent par l'espace (téléphone, GPS…)
- La datation des objets anciens par le carbone-14 est une des retombées de la formule d'Einstein. Au bout d'un certain temps (demi-vie), toute substance radioactive perd la moitié de sa masse : c'est ce phénomène qui permet de dater.
- L'énergie nucléaire, sauf accident et déchets nucléaires, est « propre » et a un rendement très supérieur aux autres modes de production, ce qui permet de fournir en électricité un nombre croissant d'hommes.
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