L’énergie égale à la masse multipliée par la célérité au carré, constitue cette formule phare de la physique moderne qui est le fruit du travail de plusieurs personnes à différentes époques. Même si nous reconnaissons à Albert Einstein le mérite de la mise en harmonie de tous ces éléments qui existaient de façon isolée. Ainsi, il nous sera utile de faire un pas en arrière pour nous permettre de mieux assimiler ces trois concepts qui forment ce formalisme.

Énergie

Étymologiquement le concept d’énergie vient du grec energéia qui se traduit en français par acte. Dans une approche philosophique, c’est une capacité à produire un effort, une action de travail. C’est une source de toute efficacité, une puissance qui préexiste. Au sens physique : c’est la capacité que possède un corps ou un système de corps à produire un travail mécanique (produit d’une force par son déplacement). Il s’agit d’une quantité physique, obéissant à des lois de transformation et de conservation1.

Si le concept d’énergie est emblématique, pour bien le comprendre, cependant, il faut partir de ce que nous appelons dans les sous-divisions de la physique qui englobe les trois parties qui constituent la lumière, le magnétisme et enfin l’électricité. L’on ne peut pas comprendre l’énergie sans ses trois propriétés que nous venons d’évoquer sous lesquelles se déploient l’énergie.

L’électricité, quant à elle, est comprise comme la capacité qu’a un corps d’émettre une certaine charge d’énergie qui lui permet d’attirer ou de repousser d’autres corps. Elle est aussi comprise comme le déplacement de sens contraire des électrons dans un conducteur2. Peu importe les sortes de courants électriques que nous pouvons trouver dans la nature, qu’ils soient naturels ou produits artificiellement.

L’énergie se manifeste aussi par le magnétisme qui est un phénomène qui se crée et s’observe autour d’un métal qui a la propriété de rapprocher un autre corps métallique dans sa sphère. De cette attraction, il existe le déploiement de l’énergie par le magnétisme qui a une longue histoire. Et enfin, l’énergie se manifeste aussi par la lumière.

Ce concept mérite une attention particulière, car celui-ci a permis à Albert Einstein de découvrir le moyen pour résoudre la problématique de la nature de la lumière. Depuis la nuit de temps, la lumière a toujours fasciné le commun des mortels, c’est ainsi, dans l’Antiquité, surtout dans les œuvres des philosophes grecs comme Platon, que la lumière constituera une métaphore d’intelligibilité ou d’intelligence.

Mettons-les en pleine lumière pour mieux voir.3
(Socrate)

Socrate : Car, dans une lumière pure, nous étions purs.4
Protarque : Comme si la lumière du jour ne devait pas les voir.5
L’Étranger : Maintenant que pour nous la lumière a été faite sur tous les genres de sciences qui existent dans la cité.6
(Socrate)

Par exemple, si nous voyions le verre perforé et la lumière passant au travers.7
Si l'on voit que la lune a toujours son côté brillant tourné vers le soleil, on comprend vite la cause de cela, à savoir qu'elle reçoit sa lumière du soleil.8
Qu'est-ce qu'une éclipse ? La privation pour la lune de sa lumière du fait de l'interposition de la terre. Du fait de quoi y a-t-il éclipse, ou du fait de quoi la lune subit-elle une éclipse ? 9
(Aristote)

Ceux-ci prouvent que la question de la lumière était au centre de la préoccupation humaine, même si dans l’approche d’Aristote il va répondre à la question « qu’est-ce que l’éclipse ? » tout en expliquant ce phénomène. Ni lui, ni Platon, et personne d’autre n’arriveront vraiment à étudier la lumière ; c’est-à-dire en faire un objet particulier d’étude.

Comme nous avons vu sur les propriétés auxquelles l’énergie se déploie, retenons qu’avant l’expérience de H. Hertz de 1887, il existait deux courants qui formalisaient la théorie électrodynamique. Le premier privilégié sur le « continent » bien sûr européen et illustré par les travaux de Franz Neumann et de Wilhelm Weber. Ce courant se fondait sur les actions instantanées à distance entre des charges et des courants électriques.

Le second courant, celui de Maxwell et de ses disciples, réduisaient tous les effets électriques et magnétiques à des actions de proche à proche dans un milieu particulier qui est l’éther. La notion intuitive de substance ou de fluide électrique abandonnée au profit de la charge électrique qui était pensée comme une propriété secondaire, plus précisément comme une inhomogénéité d’un état de contrainte élastique de l’éther caractérisé par le « déplacement électrique ».

L’avantage essentiel de la théorie de Maxwell était son pouvoir unificateur : elle ramenait les phénomènes optiques, électriques et magnétiques dans tous les milieux (les vides, isolants, métaux) à des propriétés d’un même et unique éther. Grâce à la découverte des ondes par H. Hertz, prédite par l’hypothèse de Maxwell de la nature électromagnétique de la lumière ; il devenait naturel de fonder la théorie de la dispersion sur l’interaction du rayonnement électromagnétique avec des « ions », c’est-à-dire des corpuscules chargés et soumis aux lois de l’électrodynamique10.

Etienne Klein12 nous montre qu’au 19ème siècle, il y avait deux théories fondamentales en physique : la mécanique classique élaborée par Newton qui s’enseigne à l’école et qui a été reformulée par Hamilton et Lagrange. À côté de la mécanique classique, il y avait la théorie électromagnétique.

Donc, la mécanique décrivait les phénomènes mécaniques et l’électromagnétisme quant à lui, décrivait les phénomènes chimiques, électromagnétiques et lumineux, puisque la lumière est une onde selon cette même théorie. La mécanique, quand on lui ajoute la physique statistique, engendre la thermodynamique. Avec ces disciplines, on arrivait à décrire tous les phénomènes physiques connue de cette époque.

Il y avait des situations dans lesquelles ces deux disciplines de la physique entraient en contradiction qui poussaient des jeunes vers 1890 et même plus à faire un choix, soit pour la mécanique soit pour l’électromagnétisme. Les équations de Maxwell telles que comprises à l’époque montrent que la lumière est un phénomène ondulatoire, une onde qui se propage dans l’espace.

Le physicien de cette époque croit qu’un phénomène ondulatoire est un phénomène qui fait vibrer quelque chose dans l’espace lors de son passage. Par exemple, le son est un phénomène acoustique qui, pour se propager a besoin d’un milieu matériel. Plus clairement, pour se propager il a besoin de quelque chose de matériel pour vibrer sur son passage. Le principe doit aussi s’appliquer dans l’électromagnétisme. Pour que la lumière se propage, elle besoin de quelque chose sur son passage, elle ne se propage pas dans le vide, elle a besoin de ce milieu pour se propager. Ce milieu, qui remplit l’espace en tout lieu est l’éther, luminifère, l’éther qui porte la lumière.

Personne ne doute de l’éther car sa réalité est une nécessité de la pensée. La chose la plus intéressante est que certains physiciens cherchaient à comprendre cet éther tout en s’interrogeant sur ses propriétés : Est-il solide ? Est-il pesant ? Est-il élastique ? A-t-il une couleur ?

Petit à petit en appliquant les équations de Maxwell à ces questionnements, ils finissaient par découvrir que l’éther n’a aucune propriété sauf le fait qu’il soit immobile, donc l’éther est absolument immobile et constitue un référentiel absolu. C’est ce qui a permis à Michelson et son ami Morley de mesurer la vitesse de la terre par rapport à l’éther.

Du côté de la mécanique, Newton s’appuie sur les trois principes fondamentaux sur lequel nous allons nous pencher. Le premier est le principe de relativité d’abord démontré par Giordano Bruno, puis par Galilée, bien que ce dernier ne l’ait pas cité, qui stipule que le mouvement (rectiligne uniforme) est comme rien. Ce principe qui prouve que tout se passe comme si on n’est pas en mouvement mentionne que tous les référentiels sont équivalents et interdit la hiérarchie des référentiels, il interdit encore que l’on puisse dire que le référentiel est absolument immobile.

En effet, l’électromagnétisme dit l’éther est absolument immobile. Tandis que la mécanique dit que rien n’est absolument immobile. Voilà la contradiction.

Face à cette contradiction, certains physiciens pensent que c’est l’électromagnétisme qui doit se replier et laisser la place à la mécanique classique, parce que la mécanique classique c’est Newton, c’est la vraie science, c’est la science éprouvée qui décrit même les mouvements des planètes, plus question de mettre en cause les principes de la mécanique classique. Les physiciens comme Henri Poincaré, Lorentz, et d’autres comme Albert Einstein, inconnu à l’époque, essayaient d’insérer l’électromagnétisme dans la mécanique. Alors ce cadre produisait des phénomènes bizarres comme les contractions des longueurs ; phénomène décrivant le comportement d’un corps qui doit se contracter lorsqu’il est soumis aux mouvements dans l’espace. Cette contraction est interprétée telle que comprise à l’époque comme un effet dynamique que crée l’éther lorsque le corps le traverse.

Einstein pensait que l’éther posait problème, et qu’il suffisait de le supprimer pour résoudre le problème qu’il posait. Dans cette nouvelle conception d’Einstein où l’éther n’existe pas, la lumière se propage dans le vide. C’est ainsi qu’il a inventé la théorie du champ :

  • dans cette théorie il est clair que l’onde électromagnétique existe physiquement sans support ;
  • la suppression de l’éther va obliger à redéfinir l’espace et le temps sur ce que l’on appelle la théorie de la relativité quand il va se poser ces questions : « que signifie le train arrive demain à 7h00 ? », il répond en disant quand les aiguilles de la montre pointent 7h juste le train fait son apparition. « Que signifie le train arrive à Marseille et je suis à Paris ? ». Il répond en disant : il faut un dispositif de communication. « Que signifie le train arrive à la gare pendant que je suis en mouvement ? »

Dans la conception de Newton, l’espace et le temps sont indépendants l’un de l’autre, donc l’espace ressemble à une substance particulière et le temps en est une autre. Cet espace et le temps constituent une sorte d’arène où s’alignent les objets physiques qui subissent les phénomènes physiques.

La masse

La masse, grandeur scalaire, car un corps garde toujours sa masse, est une des propriétés d’un corps définissant la quantité d’éléments qui le constitue. La masse est une grandeur fondamentale de la physique, elle intervient aussi bien en mécanique classique que dans la théorie de la relativité, en physique nucléaire, et dans la mécanique quantique 12 . Cependant, sa définition exacte pose problème. Il nous sera utile d’interroger le passé, c’est-à-dire étudier le concept de masse depuis l’Antiquité. Platon parle de la masse mais n’arrive pas à la définir 13 . Aristote, même si sa tendance est bel et bien réaliste, lui aussi n’arrive pas à définir le concept de masse 14 . Au Moyen-Âge, l’enseignement de la philosophie et plus particulièrement des sciences, se faisaient dans des écoles scolastiques. Ces écoles inspirées par la philosophie d’Aristote considéraient le poids (pondus) comme une propriété des objets lourds. Comme nous les voyons dans la conception de Platon et d’Aristote, au Moyen-Âge, la masse aura pour fondement, leur savoir.

C’est Galilée (1564-1642) qui, en établissant la loi sur la chute des corps, a supprimé la distinction entre les objets lourds qui avaient un poids et les objets légers qui n’en avaient pas 14 . L’apport de Galilée était de rompre avec la conception ancienne héritée de Platon et d’Aristote. Quant à la masse, apparemment Galilée ne l’a pas connue ou n’a rien dit à ce sujet.

Newton sera le premier à faire une distinction nette entre la masse, objet de notre étude, et le poids. Il créera aussi le concept de la matière définie comme la quantité de matière donnée par la réunion de la densité et du volume. Il établit, à l’aide d’expériences sur des pendules, la proportionnalité entre le poids (P) et la masse (m) à une hauteur donnée, ce qui se traduit par l’équation :

  • P=m.𝑔

𝑔 correspond à l’intensité du champ de pesanteur, indépendante de la forme, de la nature et de la masse du corps. En voyant la gravité comme extérieure au corps et la masse comme une quantité invariable, comme nous l’avons dit au début de ce point, il apparaît que le poids varie en fonction de la distance du centre de la terre 16.

Damen Givry montre que la définition de la masse newtonienne, la physique et la chimie vont connaître un essor considérable tout en attirant notre attention sur la pertinente critique de Mach (1838-1916) datant de la fin du XIXème siècle. Il reproche cependant à cette définition d’être imprécise et il définit la masse par l’accélération. Cette définition permettra à Einstein, au début du XXème siècle, d’expérimenter la théorie révolutionnaire de la relativité restreinte afin de démontrer que la masse n’était plus conservée.

La célérité

Le concept de la célérité 17 est la vitesse de propagation d’une onde mécanique progressive :
𝞾=d/τ
- avec 𝞾, la célérité (en m.s-1)
- avec d, la distance parcourue (en m)
- avec 𝞽, le temps de parcours ou le retard (en s).

La question que l’on peut se poser est de savoir existe-t-il une différence entre la vitesse et la célérité ? La vitesse a à la fois la grandeur et la direction tandis que la célérité n’a que la grandeur de la vitesse sans la direction. La célérité étant la vitesse de propagation d’une onde, et la lumière étant une onde électromagnétique, c’est avec raison que nous les mettons ensemble pour nous permettre de parler de la célérité comme la vitesse de la lumière au carré. E=MC2, nous permet de projeter que tout ce qui est n’est qu’énergie.

La formule ∆q. ∆p ≥h/2π

Connu sous le nom de principe d’incertitude de Heisenberg ou encore relation de Heisenberg, ce principe affirme que le produit de ces deux incertitudes doit toujours être plus grand que la constante de Planck 18 . Rappelons que Heisenberg avait découvert que les quantités observables ou mesurables devaient être représentées par des matrices.

C’est ainsi qu’en 1927, il montra que si deux matrices q et p représentant deux quantités physiques : la position et la quantité de mouvement ou encore le temps et l’énergie, obéissent à la règle de non-commutativité, c’est-à-dire que la différence des produits pq et qp est proportionnelle à la constante de Planck ; d’où l’impossibilité de mesurer les deux propriétés correspondantes simultanément avec une précision infinie 19.

∆q. ∆p ≥h/2π : ∆q : l’incertitude relative à la mesure de la position de l’électron le long de la direction verticale est q ; ∆p : l’incertitude relative à la mesure de la quantité des mouvements ; h : la fameuse constante de Planck.

Le principe de Heisenberg que nous venons de voir montre que dans l’échelle atomique, il est impossible de connaître avec précision les deux mesures à la fois. De ce formalisme, nous tirons comme corolaire que le réel se présente de façon partielle, donc on ne peut pas le connaître avec exactitude ; il aura toujours quelque chose qui nous échappera.

Perspectif à venir

Nous avons le E=MC2 et ∆q. ∆p ≥h/2π , ces deux formalismes nous présentent deux visions différentes de deux mondes :

  • la vision du monde macroscopique
  • la vision du monde microscopique.

En essayant de les mettre ensemble, dans la mesure du possible, elles donnent un monde bipolaire, c’est-à-dire qu’il y a un pôle fondé par l’exactitude au travers de la formule E=MC2 et un autre fondé sur l’incertitude appelé le principe de l’incertitude de Heisenberg , d’où le formalisme ∆q. ∆p ≥h/2π . Loin d’une approche réductionniste, nous prenons un concept qui pourra être présent dans ces deux formalismes mathématiques que nous qualifions par l’énergie qui se manifeste dans toutes ses formes.

Nous ne développons pas le débat opposant Einstein et l’école ou l’Interprétation de Copenhague par Bohr, sur ce que pouvons qualifier par le statut épistémologique de la théorie quantique d’Einstein en 1935, connu sous le nom d’expérience de EPR (Einstein Podolsky et Rosen) : « Supposons que nous fassions rebondir deux électrons A et B l’un contre l’autre et que nous attendions qu’ils s’éloignent suffisamment afin que l’un ne puisse influencer l’autre de quelque manière. Dès lors, en effectuant des mesures sur A, on peut tirer des conclusions valables sur B et personne ne pourra prétendre qu’en mesurant la vitesse de A nous ayons influencé celle de B., si l’on s’en tient à la mécanique quantique », critiquait Einstein.

Il nous est impossible de savoir quelle direction prendra la particule A avant que sa trajectoire ne soit enregistrée par un instrument de mesure, puisque toujours selon la théorie quantique, la réalité d’un événement dépend de l’acte d’observation.

Or, si A « ignore » quelle direction prendre avant d’être enregistré par un instrument de mesure, comment B pourrait-il « connaître » à l’avance la direction de A et orienter sa trajectoire de manière à être exactement au même instant dans la direction opposée ?

Selon Einstein, tout ceci était absurde : la mécanique quantique était une théorie incomplète et ceux qui l’appliquaient au pied de la lettre faisaient fausse route.

En fait, Einstein était persuadé que les deux particules représentaient deux entités distinctes, deux grains de réalité séparés dans l’espace, qui ne pouvaient s’influencer mutuellement.

Or, en effet, la mécanique quantique dit exactement le contraire. Elle affirme que ces deux particules apparemment séparées dans l’espace ne constituent qu’un seul et même système physique. La mécanique quantique nous révèle que la nature est un ensemble indivisible où tout se tient : la totalité de l’univers apparait présente en tout lieu et en tout temps. Dès lors, la notion d’espace séparant deux objets par une distance plus ou moins grande ne semble plus avoir grand sens.

Par exemple, ces deux livres, sur la table : de toute évidence, nos yeux, notre bon sens nous disent qu’ils sont séparés l’un de l’autre par une certaine distance. Qu’en est-il selon le physicien qui croit à la mécanique quantique étant qu’une théorie complète ? À partir du moment où deux objets physiques ont été amenés à interagir, on doit considérer qu’ils forment un seul et unique système, par conséquent, ils sont inséparables 20.

Le concept d’énergie nous permet de poser notre conception de l’énergisation du réel qui nous permet, elle aussi, non seulement de concilier ces deux formalismes mais de considérer que tout n’est qu’énergie. En définitif, l’énergie égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré et l’incertitude relative à la quantité de mouvement multipliée par l’incertitude relative à la position de la particule supérieure ou égale à la constante de Planck sur deux pies nous présentent deux visions du monde : la vision du monde macroscopique et celle du monde microscopique. L’énergie a été pour nous un élément de réconciliation entre ces deux approches. C’est ainsi que nous posons l’énergisation du réel comme cadre qui nous permet de concevoir le réel comme l’énergie, et de voir l’énergie en tout.

Notes

1 Noëlla Baraquin et al., Dictionnaire de philosophie, Paris, 3ème édition Armand colin, 2005, 115.
2 Théodore Wilde et Gilbert Sybille, Electrotechnique, Paris, de boeck, 2005, p. 38.
3 Platon, Œuvres complètes, sous la direction de Luc Brisson, Paris, Flammarion, 2008, p. 2249.
4 Platon, Op.cit., p. 2283.
5 Platon,Op.cit., p. 2472.
6 Platon, Op.cit., p. 2609.
7 Aristote, Œuvres complètes, sous la direction de Pierre Pellegrin, Paris, Flammarion, 2014, p. 323.
8 Aristote, Op.cit., p. 229.
9 Aristote, Op.cit., p. 331.
10 Albert Einstein, Œuvres choisis tome 2, Relativité I, textes traduits de l’allemand en français par Françoise Balibar et al., Paris, Seuil, 1993, p. 14-16.
11 Etienne Klein, Parenthèse Culture 9 – Einstein et la théorie de la relativité restreinte.
12 Damien Givry, Le concept de masse en physique : quelques pistes à propos des conceptions et des obstacles.
13 Platon, Œuvres complètes, sous la direction de Luc Brisson, Paris, Flammarion, 2008.
14 Aristote, Œuvres complètes, sous la direction de Pierre Pellegrin, Paris, Flammarion, 2014.
15 Damien Givry, Op.cit., p. 43.
16 Damien Givry, Op.cit., p. 44.
17 Richard P. Feynman, Mécanique 1, version française de Goéry Delacôte, Paris, Dunod, 1999, p. 118.
18 Carlos Carle, et al., Supercordes et autres ficelles Voyage au cœur de la physique, Dunod, Paris, 2004, p. 488.
19 Carlos Carle, et al., Op.cit., p. 483.
20 Jean Guitton, et al., Dieu et la science, Paris, Crasset et Fasquelle, 1991, p. 164-166.