Un événement de boson de Higgs vu dans le détecteur Compact Muon Solenoid au Grand collisionneur de hadrons. Cette… seule collision à haute énergie illustre le pouvoir de conversion de l’énergie, qui existe toujours sous forme de particules.
CERN / CMS Collaboration
L’énergie joue un rôle énorme, non seulement dans notre vie quotidienne riche en technologie, mais aussi en physique fondamentale. L’énergie chimique stockée dans l’essence se transforme en énergie cinétique qui propulse nos véhicules, tandis que l’énergie électrique de nos planètes électriques se transforme en lumière, en chaleur et en d’autres formes d’énergie dans nos maisons. Mais cette énergie semble toujours n’être qu’une propriété d’un système indépendant. Doit-il toujours en être ainsi ? Alex de Moscou nous écrit pour nous poser une question sur l’énergie elle-même :
« L’énergie pure, peut-être très peu de temps avant de se transformer en une particule ou un photon ? Ou est-ce juste une abstraction mathématique utile, un équivalent que nous utilisons en physique ? »
A un niveau fondamental, l’énergie peut prendre de nombreuses formes.
Les particules connues dans le modèle standard. Ce sont toutes les particules fondamentales qui ont été… directement découvertes ; à l’exception de quelques bosons, toutes les particules ont une masse.
E. Siegel
La forme d’énergie la plus simple et la plus familière de toutes est en termes de masse. Vous ne pensez normalement pas en termes de E = mc2 d’Einstein, mais chaque objet physique qui a jamais existé dans cet Univers est fait de particules massives, et simplement en ayant une masse, ces particules ont de l’énergie. Si ces particules sont en mouvement, elles ont également une forme d’énergie supplémentaire : l’énergie cinétique, ou l’énergie du mouvement.
Les transitions d’électrons dans l’atome d’hydrogène, ainsi que les longueurs d’onde des photons résultants,…. illustrent l’effet de l’énergie de liaison.
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Enfin, ces particules peuvent se lier entre elles de diverses manières, formant des structures plus complexes comme des noyaux, des atomes, des molécules, des cellules, des organismes, des planètes et plus encore. Cette forme d’énergie est connue sous le nom d’énergie de liaison, et son effet est en fait négatif. Elle réduit la masse au repos du système global, ce qui explique pourquoi la fusion nucléaire, qui a lieu au cœur des étoiles, peut émettre tant de lumière et de chaleur : en convertissant la masse en énergie par le biais de la même formule E = mc2. Au cours de ses 4,5 milliards d’années d’histoire, le Soleil a perdu environ la masse de Saturne du simple fait de la fusion de l’hydrogène en hélium.
Le Soleil, représenté ici, génère son énergie en fusionnant l’hydrogène en hélium dans son noyau, perdant de petites… quantités de masse au cours du processus. Au cours de sa vie, il a perdu environ la masse de Saturne par ce processus.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Le Soleil lui-même donne un autre exemple d’énergie : la lumière et la chaleur, qui se présentent sous la forme de photons, différents des formes d’énergie que nous avons considérées jusqu’à présent. Il existe également des particules sans masse — des particules sans énergie au repos — et ces particules, comme les photons, les gluons et (hypothétiquement) les gravitons, se déplacent toutes à la vitesse de la lumière. Cependant, elles transportent de l’énergie sous forme d’énergie cinétique et, dans le cas des gluons, sont responsables de l’énergie de liaison à l’intérieur des noyaux atomiques et des protons eux-mêmes.
La théorie de la liberté asymptotique, décrivant la force des interactions entre quark à l’intérieur d’un .. noyau, valait un prix Nobel à Wilczek, Politzer et Gross.
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La question fondamentale qui se pose ici est de savoir si l’énergie elle-même peut exister indépendamment de l’une de ces particules. Il y avait une possibilité alléchante que ce soit le cas sous la forme de la gravitation : pendant plusieurs décennies, nous avions observé les orbites des étoiles à neutrons binaires : deux restes stellaires effondrés orbitant l’un autour de l’autre. Grâce aux mesures de la synchronisation des pulsars, où l’une des étoiles envoie des impulsions très régulières vers nous, nous avons pu détecter que ces orbites se désintégraient et s’imbriquaient l’une dans l’autre. Comme leur énergie de liaison augmentait, il devait y avoir une certaine forme d’énergie rayonnée. Nous avons pu détecter les effets de la désintégration, mais pas l’énergie rayonnée elle-même.
Alors que deux étoiles à neutrons orbitent l’une autour de l’autre, la théorie de la relativité générale d’Einstein prédit la désintégration orbitale… et l’émission de rayonnement gravitationnel.
NASA (L), Institut Max Planck de radioastronomie / Michael Kramer
La seule façon de l’expliquer serait qu’il y ait un certain type de rayonnement gravitationnel : il faudrait que les ondes gravitationnelles soient réelles. La première fusion de trous noirs détectée par LIGO, issue de l’événement du 14 septembre 2015, mettrait cela à l’épreuve. À cette date, nous avons détecté deux trous noirs s’immergeant en spirale l’un dans l’autre, et les ondes gravitationnelles directes émises par cette coalescence. Les trous noirs d’origine étaient de 36 et 29 masses solaires ; la masse finale, après fusion, était de 62 masses solaires.
Les statistiques vitales de la fusion des trous noirs le 14 septembre 2015. Notez comment il y a trois masses… solaires qui sont perdues lors de la fusion, mais cette énergie survit sous forme de rayonnement gravitationnel.
B. P. Abbott et al. (Collaboration scientifique LIGO et Collaboration Virgo)
Ces trois masses solaires manquantes ? Elles ont été émises sous la forme d’ondes gravitationnelles, et l’ampleur des ondes que nous avons détectées était exactement la quantité nécessaire pour compenser la quantité nécessaire pour la conserver, après tout. La formule E = mc2 d’Einstein, et le fait que l’énergie soit transportée en tant que partie d’un certain type de particule ou de phénomène physique, ont été confirmés une fois de plus.
L’inspiration et la fusion de la première paire de trous noirs jamais observée directement.
B. P. Abbott et al. (Collaboration scientifique LIGO et Collaboration Virgo)
L’énergie se présente sous une variété de formes, et certaines de ces formes sont fondamentales. L’énergie de la masse au repos d’une particule ne change pas avec le temps, et en fait ne change pas d’une particule à l’autre. C’est un type d’énergie qui est inhérent à tout ce qui se trouve dans l’Univers lui-même. Mais toutes les autres formes d’énergie qui existent sont relatives. Un atome dans un état excité a plus d’énergie qu’un atome dans un état fondamental, et cela est dû à la différence d’énergie de liaison. Et si vous voulez faire cette transition vers l’état de plus basse énergie ? Vous devez émettre un photon pour y parvenir ; vous ne pouvez pas effectuer cette transition sans conserver de l’énergie, et cette énergie doit être transportée par une particule – même sans masse – pour que cela se produise.
Dans cette illustration, un photon (violet) transporte un million de fois l’énergie d’un autre (jaune)….. Les données de Fermi sur deux photons provenant d’un sursaut gamma ne présentent aucun retard de propagation, ce qui montre la constance de la vitesse de la lumière à travers l’énergie.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Peut-être une bizarrerie de ceci est que l’énergie du photon, ou toute forme d’énergie cinétique (c’est-à-dire l’énergie du mouvement), est que sa valeur n’est pas fondamentale, mais dépend plutôt du mouvement de l’observateur. Si vous vous rapprochez d’un photon, vous constaterez que son énergie semble plus grande (puisque sa longueur d’onde est décalée vers le bleu), et si vous vous en éloignez, son énergie sera moindre, et il apparaîtra décalé vers le rouge. L’énergie est relative, mais ce qui est intéressant, c’est que pour tout observateur, elle est toujours conservée. Quelles que soient les interactions, on ne voit jamais l’énergie exister seule, mais seulement en tant que partie d’un système de particules, massives ou non.
L’énergie peut être convertie d’une forme en une autre, même de l’énergie de masse au repos en énergie purement cinétique…. l’énergie, mais elle existe toujours sous forme de particules.
Andrew Deniszczyc, 2017
Il existe cependant une forme d’énergie qui pourrait ne pas avoir besoin de particule du tout : l’énergie sombre. La forme d’énergie qui provoque l’accélération de l’expansion de l’Univers pourrait très bien être une énergie inhérente au tissu même de l’Univers ! Cette interprétation de l’énergie noire est cohérente et correspond exactement aux observations des galaxies et quasars éloignés que nous voyons. Le seul problème ? Cette forme d’énergie, pour autant que l’on puisse en juger, ne peut ni être utilisée pour créer ou détruire des particules, ni être convertie en d’autres formes d’énergie. Elle semble être sa propre entité, déconnectée de toute interaction avec les autres formes d’énergie présentes au sein de l’Univers.
Sans énergie noire, l’Univers n’accélérerait pas. Mais il n’y a aucun moyen d’accéder à cette énergie… par l’intermédiaire d’autres particules dans l’Univers.
NASA & ESA, des modèles possibles de l’Univers en expansion
Donc la réponse complète à la question de savoir si l’énergie pure existe est :
- Pour toutes les particules qui existent, massives et sans masse, l’énergie n’est qu’une de leurs propriétés, et ne peut exister indépendamment.
- Pour toutes les situations où l’énergie semble être perdue dans un système, comme par la désintégration gravitationnelle, il existe une forme de rayonnement emportant cette énergie, la laissant conservée.
- Et cette énergie sombre elle-même peut être la forme la plus pure d’énergie, existant indépendamment des particules, mais en ce qui concerne tout effet autre que l’expansion de l’Univers, cette énergie est inaccessible à tout le reste de l’Univers.
D’après ce que nous pouvons dire, l’énergie n’est pas quelque chose que nous pouvons isoler dans un laboratoire, mais seulement une des nombreuses propriétés que la matière, l’antimatière et le rayonnement possèdent tous. Créer de l’énergie indépendamment des particules ? C’est peut-être quelque chose que l’Univers lui-même fait, mais tant que nous n’aurons pas appris à créer (ou à détruire) l’espace-temps lui-même, nous nous trouverons dans l’incapacité de le faire.
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