E=mc² - Genèse de la formule - synthèse - LHC - conclusions

 

Ch. 29.1  -  La formule d'Einstein.


Ch. 29.1a  - E=mc²

 

MÉLODIE DE LA RELATIVITÉ

 

 Subtile déraison

Quand le temps est espace,

Subtile liaison

Pour les forces en place.

 

 Trois données s’effacent

 Perturbant la logique

Du temps qui s’y prélasse

En lois cosmologiques.

 

Danse de feux d'étoiles,

 Gerbe d'explosion,

Repos du temps sous voile

Avant l'extension.

                                                                                     

Spasme d’astres en folies,

En grand éclatement

Et fin du firmament

Aux étoiles sans vie.

 

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Formule que  « Tout le monde » connaît bien depuis que les médias s'en sont emparés pour donner plus de piquant intellectuel à leur littérature.

Cette formule « magique » est toute simple : une équation avec un produit dont un élément est élevé au carré.  Cependant elle définit l'essentiel de tout ... la loi fondamentale de la « mécanique » qui fait fonctionner l'Univers connu.

Einstein, ce fantaisiste qui nous passe la langue, a eu un jour, en 1905, un « éclair de génie » en découvrant une formule essentielle qui nous révèle ce que notre entendement de terrien ne voudra jamais admettre.

E L'énergie donc quelque chose que nos sens ne peuvent saisir, mais qui fait que tout est en mouvement, que rien n'est statique, c'est-à-dire immobile.  Cette énergie est fondamentale au système qui fait que nous sommes là.  Elle est a l'origine de "l'explosion initiale" et l'entretient tout en s'affaiblissant.

=  m : c'est de la matière (rappelons qu'elle peut être de trois sortes : solide, liquide, gazeuse) ... accélérée par c qui est la vitesse de la lumière (c étant la première lettre du mot latin céléritas qui veut dire vitesse),

Ce  c  étant lui-même accéléré par une valeur identique à lui (en mathématique algébrique on dit élevé au carré que l'on écrit c2 )

 Des découvertes récentes présentées le 23/9/2011 lors d'un séminaire du Cern et retransmis sur Internet (http:/webcast.cern.ch) fait état des résultats d'expériences faites avec un faisceau neutrino de 730 km entre les gigantesques accélérateurs du Cern à Génève et les récepteurs souterrains de Gran Sasso en Italie, surprenant les chercheurs qui ont constaté que le trajet est parcouru par les neutrinos avec une avance de 60 nanosecondes sur les 2,4 millisecondes que lumière met à effectuer la même distance, remettant en question le fond de la formule d'Einstein

Il est important de signaler que la formule a été rendue simple par Einstein lui-même pour qu'elle soit plus « percutante » et plus médiatisée.  En fait, présentée comme cela, elle ne s'applique qu'à des corps au repos, or le photon, qui est la manifestation de cette énergie, ne l'est jamais ...

Donc, l'énergie qui est l'essentiel (le moteur) de l'Univers depuis qu'Einstein l'a compris, c'est de la matière que nos sens peuvent percevoir par le toucher et la vue (sauf dans certains cas pour la matière gazeuse) qui est accélérée (du latin accelerare, (venant lui-même de celer = rapide, donc rendu plus rapide) par le fameux facteur (c) qui se multiplie par lui-même (élévation au carré).

Il s'agit d'une loi spatiale qui n'a rien à voir avec nos lois terrestres.  Ce phénomène d'expansion atteint une vitesse limite de 300.000 kilomètres par seconde, c'est-à-dire celle des particules (les photons) qui composent la lumière (l'inverse du néant absolu) depuis le Big Bang ou l'explosion initiale.

Au-delà de cette vitesse limite (300.000 km.sec.) la matière redevient énergie.

On peut donc dire, pour faire simple, que la lumière révèle ce qui existe et l'absence de lumière cache le mystère et le néant. La première parole de Dieu dans la Genèse fut « fiat lux » que la lumière soit.  C'est la version des créationnistes qui attribuent à Dieu la création de l'Univers.

Pour beaucoup d'autres, l'Univers a toujours existé et existera toujours : il n'y a pas de néant absolu. C'est un mécanisme fondamental que nous n'aurons jamais les moyens d'expliquer tellement il dépasse notre entendement, limité à nos seuls moyens d'investigation et d'expérience qui seront toujours réduits à notre environnement planétaire et nos moyens d'investiguer l'infini et le temps.

En principe, les photons de l'explosion initiale nous accompagnent depuis le « Big Bang » à la vitesse de la lumière, c'est ce qui a permis, en 1929 à Edwin Powell Hubble (1889-1953) d'évaluer l'âge de l'univers à 14,7 milliards d'année (13,7 milliards d'années depuis la mesure établie par le satellite WMAP) par rapport à nous  (suivant la constante de Hubble : les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse approximative proportionnelle à leur distance). Le chanoine belge Georges Henri Lemaître (1894-1966) aurait déjà fait cette découverte deux ans avant lui.

Cependant les dernières avancées de la science ont permis de préciser que ces théories et ces chiffres ne seraient valables que pour les petites échelles de mesures que permettaient les moyens de l'époque.

A grande échelle, l'expansion de l'univers, correspondrait à un « gonflement » de l'espace avec un écartement mutuel des galaxies s'éloignant les unes des autres d'une manière égale, mais avec la particularité que la taille des composants de cet univers ne serait pas modifiée.

Ce n'est  donc pas comme si on étirait une toile élastique sur laquelle on aurait dessiné des étoiles qui grossiraient avec l'étirement, mais ce serait plutôt comme si, au lieu de les dessiner, on avait collé des pièces de monnaie sur cette toile élastique et que la toile s'étendrait et non pas les pièces.

Cependant, il est aussi important de souligner que le seul élément que l'on puisse calculer c'est le temps mis par la lumière du rayonnement fossile pour parvenir jusqu'à nous, soit entre 13 et 15 milliards d'année,  ce qui n'a rien à voir avec la taille de l'univers en terme de mesure métrique qui pourrait être de l'ordre de 40 à 50 milliards d'années multipliés par 300.000 km. par seconde. (Soit en kilomètres : 60 secondes x 60 minutes x 24 heures x 365 jours x 300.000 km x 50 milliards soit 473.040 trillions ou environ 5 suivi de 23 zéros, comme il s'agit du rayon, le diamètre de l'univers devrait être du double de cette valeur.)

Réalisant l'énergie inouïe que l'on dégagerait en « cassant » sa formule dans un engin de destruction, Einstein, ce génial chercheur, en avertira le président Roosevelt (nous étions en 1939), supposant modestement que s'il l'avait découvert, d'autres chercheurs (ennemis) le feraient également, (heureusement, il se trompait), aussi en secret les alliés s'empressèrent-ils  de créer une bombe à « fission nucléaire » dont la puissance de destruction serait inouïe.  On connaît la suite atroce déterminant la fin des hostilités.

Comment le génial Einstein en est-il venu à proclamer cette loi fondamentale de E = mc2, tellement aberrante pour l'entendement des physiciens de l'époque ?

Avant de pousser plus loin nos investigations, ce que nous ferons dans la note suivante, il est important de bien se pénétrer du climat scientifique qui entourait les chercheurs des années du conflit mondial  qui embrasa le monde jusqu'à son paroxysme monstrueux de la destruction d'Hiroshima (6/8/1945 - 100.000 victimes) et Nagasaki (9/8/1945 - 80.000 victimes).

Einstein et les chercheurs de l'époque disposaient des avancées prodigieuses de la science, cependant toujours influencées par les grandes lois proclamées par les maîtres du passé : Kepler, Galilée, Copernic et autres Newton.

Dans le prochain « billet » nous nous pencherons sur la genèse de la formule  E = mc² trouvée par le génial Einstein, mais déjà en gestation chez les chercheurs du siècle précédent.

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Ch.29.1b - Genèse de la formule d'Einstein.

Après avoir tenté de comprendre la formule, bien que ce soit extrêmement difficile de le faire dans une logique découlant de ce que les connaissances de notre environnement de terrien nous permettent de déduire, il sera intéressant de faire l'historique de la  formule et d'analyser comment les prédécesseurs d'Einstein ont préparé le terrain de sa découverte.

Nous ne nous attarderons pas à entrer dans la polémique qui lui conteste la paternité de la découverte,  Poincaré, entre autres, ayant avancé des formules proches de la sienne sans en mesurer la portée.

E,  c'est l'énergie dans l'espace et le premier qui découvrit cette notion fut un modeste employé-chimiste, Michael Faraday(1791-1867) qui constata en 1812 que l'aiguille d'une boussole « perdait le nord » et se tournait dans la direction d'un câble électrique sous tension dès qu'on s'en approchait.

L'aiguille aimantée était donc attirée par l'influx électrique circulant dans le câble, or à cette époque, on estimait que l'électricité ne pouvait s'échapper de son câble et y circulait comme l'eau dans un tuyau. Dès lors on se mit à concevoir que l'énergie occupait une place dans l'espace, pour plus tard admettre qu'elle occuperait tout l'espace.

Cette découverte amena Faraday à inventer, dès les années 1831, l'électro-aimant qui fait tourner les moteurs électriques ouvrant ainsi la voie aux applications tels les dynamos, les générateurs et les transformateurs.  Il se distingua dans tous les domaines de la chimie et de l'électricité donnant son nom à de nombreux concepts  ou techniques (le Farad, la constante de Faraday, l'instabilité de Faraday, la cage de Faraday) et introduira les termes d'anode, de cathode, d'anion, de cation et d'ions Il fut le premier à affirmer que la lumière est une énergie.

Modeste, il refusa les honneurs de l'anoblissement, la Présidence de la Royal Society et d'être enterré dans l'Abbaye de Westminster.

Déjà avant lui, une autre loi avait été énoncée et expérimentée par Antoine Lavoisier (1743-1794) c'est la conservation de la matière : « Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme » bien que cette phrase lui soit injustement attribuée, (elle daterait pour d'autres raisons d'avant Jésus-Christ et aurait été énoncée par Anaxagore de Clazomènes qui parlait de l'énergie et pas de la matière), elle résume cependant bien le principe tel que l'a déterminé Lavoisier de la façon suivante en parlant de la fermentation : « ... Il faut bien connaître l'analyse et la nature du corps susceptible de fermenter, et les produits de la fermentation ; car rien ne se crée, ni dans les opérations de l'art, ni dans celles de la nature, et l'on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l'opération ; que la qualité et quantité des principes est la même, et qu'il n'y a que des changements, des modifications ».

Antoine Lavoisier était un avocat, bourgeois aisé, attiré par  les sciences et la chimie.  A 25 ans, il obtient la charge de « Fermier général » c'est-à-dire celle de percevoir les impôts, ce qui lui vaudra d'être guillotiné sous la « Terreur » avec les 28 fermiers généraux le 8 mai 1794.

Lavoisier, mathématicien par son métier de financier, cherche à donner à la science des outils mathématiques en recherchant l'équilibre, comme les comptables le font dans leur balance, entre ce qui sort et ce qui entre dans l'espace où se situe  l'expérience, ce qui le poussera à  mettre au point des outils donnant des pesées précises. Toujours obsédé par ce qu'on a appelé  « la loi de la conservation de la masse », grâce aux gros moyens financiers dont il disposait par sa fortune,  il mit au point des appareils de pesée extrêmement précis fabriqués par les plus grands artisans, ce qui lui permit de prouver cette théorie. (Rien ne se perd, tout se transforme)

Autre personnage surprenant pour l'époque, tant par son esprit, son génie que la liberté de ses mœurs fut  Emilie de Breteuil (1706-1749), devenue marquise du Châtelet par mariage en 1725.

Elle eut de nombreux amants, comme le mathématicien Maupertuis, le petit neveu du cardinal de Richelieu, et le marquis de Guébiant. Elle s'initiera aux travaux d'Isaac Newton (1642-1727) et de Leibniz (1646-1716) ce qui l'amènera à une expérience étonnante faite d'une bille de plomb tombant sur de l'argile à des hauteurs différentes qui lui fit constater que l'écrasement provoqué correspondait au carré  de la masse et non à son addition. Cette expérience lui permit déjà d'augurer de  la fameuse formule d'Einstein (E = mc2).

Madame du Châtelet ne fut pas seulement la maîtresse de Voltaire pendant quinze ans mais elle fut aussi sa collaboratrice (ils traduiront ensemble « les Principia » de Newton) .  Elle mourut en couches, en 1749, à la naissance d'un enfant (qui n'a pas survécu) qu'elle eut d'un autre amant (le beau chevalier de Saint-Lambert, poète).

On ne peut pas non plus passer sous silence d'autres chercheurs,Pierre Curie 1859-1906) et sa femme Marie (1867-1934)  qui feront faire un pas important à la science en découvrant le radium et la radioactivité ainsi que Antoine  Henri Becquerel (1852-1908)  et Ernest  Rutherford (1871-1937).

Mais celui qui fit faire l'avancée la plus significative dans les domaines que l'on dénommera ultérieurement « relativité restreinte » et « mécanique quantique », ce fut James Clerk Maxwell (1831-1879) : ses contributions à la science sont considérées par certains comme aussi importantes que celle de Newton ou Einstein.

En 1864, il écrit : « L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. »

Maxwell supposera que la propagation de la lumière nécessite un milieu (l'éther) pour support des ondes.  Einstein, plus tard, en formulant ses théories de la « relativité» démontrera que l'existence de l'éther n'était pas nécessaire.

Maxwell calculera avec les moyens limités de l'époque la vitesse de la lumière à 310.740.000 mètres par seconde (des mesures plus précises l'évalueront à 299.792.458 kilomètres à la seconde ou environ 300 millions de kilomètres)

Au delà de cette vitesse cosmique, l'énergie se transforme en masse, révélant ainsi le mécanisme de l'univers qui n'a rien à voir avec celui que nous expérimentons tous les jours sur notre planète qui subit les lois de son environnement.

Maxwell fréquenta Lavoisier en fin de vie (il était 40 ans plus âgé que lui) avec beaucoup de considération pour le vieux savant dont l'esprit n'était plus aussi alerte.  Ont-ils dans leurs entretiens évoqué cette éventualité de libérer dans la matière une force capable de détruire une ville ou de produire une énergie gigantesque ?

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Ch. 29.1c - Conclusions et synthèse

E = mc2 : Cette formule révèle le mécanisme de notre univers « connu », perceptible avec des moyens limités de « terriens ».

Numériquement dans le système international d'unités, la formule peut se traduire ainsi :   E ... est l'énergie exprimée en joule (unité pour quantifier notamment l'énergie) ... m ... est la masse en kilogrammes ... c ... est la vitesse de la lumière dans le vide, soit 299.792.458 m/s.

1.    Notre univers c'est de l'énergie en perpétuelle transformation ... Jusqu'à preuve du contraire notre univers est soumis à cette loi de la transformation de l'énergie ... : la matière peut être transformée en chaleur et en force par désintégration (pile atomique)

Suivant la théorie avancée actuellement par Brian Greene), notre univers ne serait qu'un univers-bourgeon qui se serait développé accidentellement et en excédent dans un univers-total dont nous ignorerions et les lois et le mécanisme.

2.        Notre univers c'est aussi de la matière en expansion continue (le facteur c au carré). La loi de l'expansion de la matière contribue à sa complexité ... chaque étoile a sa vie propre en fonction de sa « naissance » en nébuleuse dans un espace « étiré » qui la crée et de sa « mort » en fin d'existence en trou noir stellaire.

3.        Notre planète « terre » est un « excédent partiellement éteint » détaché de notre étoile, le soleil ... qui orbite autour de celui-ci avec Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune j usqu'à leur « effondrement» en trou noir lors de la fin de la vie du soleil.

4.        La croute terrestre est constituée de roches, d'eau, de matières diverses et de sédiments résultant de l'évolution de la vie, d'une épaisseur de 35 kilomètres sous les continents, 5 à 7 km sous les océans et 60 km sous certaines chaînes de montagne (cordillère des Andes), autour  d'une masse  mobile ou  en fusion de 6344 kilomètres (centre de la terre = 40.000 kilomètres divisé par 3,14 divisé par 2 = le rayon d'environ 6379 kilomètres - 35 kilomètres de croute terrestre   =  6344 kilomètres).

5.       C'est sur cette « pelure faite de matières refroidies, d'eau et de restes de vie » de 35 kilomètres que la vie a évolué pour aboutir après bien des avatars, dont la disparition des grands sauriens, à « l'homme intelligent » que nous sommes.

 

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Fondé en 1952 par 12 états européens, le Cern (Centre européen pour la recherche nucléaire) établi près de Genève, a construit à 100 mètres sous terre, depuis 1996, le plus grand collisionneur de Hadrons (LHC) existant  au monde (un anneau de 27 kilomètres refroidi pendant deux ans pour obtenir  -271,3° (presque le zéro absolu) qui créerait les conditions qui prévalaient dans les millièmes de secondes qui ont suivis le Big Bang.

0n y traque le Boson de Higgs Rappelons que les chercheurs, l'anglais Higgs et les belges Englert et Brout, avancent une théorie suivant laquelle la découverte de cette particule, (tellement cachée qu'il faut un instrument de la taille de celui que l'on a construit à Genève pour la traquer - certains ont  la taille d'une cathédrale sous terre - et aurait dû donner des résultats en 2009 si un problème de fonctionnement n'avait pas provoqué un retard d'un an) permettrait de connaître la taille de notre univers et de mieux le comprendre.

Le 30 mars 2010, le LHC est entré en fonctionnement : des groupes de particules circulant à grandes vitesse (faisceaux) sont entrés en collision, démarrant le programme de recherche du LHC. Il sera le plus puissant des accélérateurs de particules au monde.  Des protons (ou des ions) de haute énergie circulant dans deux faisceaux tournant à contre-sens se choqueront les uns contre les autres, dans le but de rechercher des indices de la supersymétrie, de la masse noire et de l'origine de la masse des particules élémentaires.

Cet outil permettra de s'attaquer à des grandes énigmes de la physique moderne comme l'origine de la masse, la grande unification des forces et la présence abondante de la matière noire dans l'Univers primordial, mais surtout de traquer le boson de Higgs qui permettrait de mieux comprendre notre univers.

Conclusions personnelles

Si on admet la théorie de Brian Greene, notre  univers ne serait qu'un univers-bourgeon, survenu accidentellement sur un univers-total beaucoup plus complexe dont nous n'imaginerions même pas les lois.  Cette thèse apporterait une solution au dilemme d'Einstein concernant la mise en concordance de ses théories sur la relativité restreinte et relativité générale, puisqu'il existerait d'autres lois que nous ne pouvons pas appréhender. Cette conception de l'Univers parait fort vraisemblable ...

...ce qui démontrerait davantage encore notre insignifiance.


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Ceux qui voudraient approfondir ou vérifier « ce condensé » écrit par un modeste profane « Monsieur Toulemonde » pourront consulter la documentation suivante :

-          Les différents sites de Wikipédia sur Internet

-          Le site Internet de vulgarisation sur la mission Planck (planck.fr) qui doit mesurer avec grande précision un certain rayonnement présent dans l'univers, appelé le rayonnement fossile.

-          L'émission E = mc2 produite par ARTE (adaptation française)

-          Les articles sur le Grand Collisionneur de Guy Duplat dans la Libre Belgique

-          Le livre de Brian Greene, La Magie du cosmos  (Robert Laffont)

-          http://www.lhc-france.fr/  : cliquer sur le lien pour les dernières nouvelles.

 

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