Demandez à Ethan: existe-t-il une énergie propre?

L'apparition du boson de Higgs sur un détecteur solénoïde de muons compact au Grand collisionneur de hadrons. Cette collision à haute énergie illustre la pleine puissance de conversion d'énergie qui existe toujours sous forme de particules.

L'énergie joue un rôle crucial non seulement dans notre vie quotidienne, remplie de technologie, mais aussi dans la physique fondamentale. L'énergie chimique stockée dans l'essence est convertie en énergie cinétique de nos véhicules, et l'électricité produite par les centrales électriques est convertie en lumière, chaleur et autres formes d'énergie dans nos maisons. Mais cette énergie semble exister sous la forme d'une propriété d'un système indépendant. Mais faut-il que tout soit ainsi? Notre lecteur de Moscou pose une question sur l'énergie elle-même:

Y a-t-il de l'énergie pure, peut-être un peu de temps avant de se transformer en particule ou en photon? Ou s'agit-il simplement d'une abstraction mathématique pratique, l'équivalent que nous utilisons en physique?

À un niveau fondamental, l'énergie peut prendre plusieurs formes.


Particules connues dans le modèle standard. Ce sont toutes des particules que nous avons découvertes directement; à l'exception de quelques bosons, toutes les particules ont une masse.

La forme d'énergie la plus simple et la plus connue s'exprime par la masse. Habituellement, nous ne discutons pas en termes d'E = mc ² d'Einstein, mais chaque objet physique qui a jamais existé dans l'Univers est constitué de particules massives, et simplement parce qu'elles ont une masse, ces particules ont de l'énergie. Si ces particules se déplacent, elles ont une énergie supplémentaire - cinétique ou énergie de mouvement.


Transitions électroniques dans un atome d'hydrogène, ainsi que les longueurs d'onde des photons résultants, illustration de l'énergie de liaison

Enfin, ces particules peuvent se lier les unes aux autres de diverses manières, formant des structures plus complexes - noyaux, atomes, molécules, cellules, organismes, planètes, etc. Ce type d'énergie est appelée énergie de liaison, et elle est en fait négative. Il réduit la masse au repos de l'ensemble du système, et donc la fusion nucléaire qui se produit dans les noyaux des étoiles peut émettre tellement de lumière et de chaleur: transformer la masse en énergie grâce à la même formule E = mc ² . Au cours des 4,5 milliards d'années d'histoire du Soleil, il a perdu environ la masse de Saturne simplement en raison de la synthèse d'hélium à partir de l'hydrogène.


Le soleil génère de l'énergie en synthétisant de l'hélium à partir d'hydrogène dans le cœur, perdant une petite quantité de masse dans le processus.

Le soleil fournit un autre exemple d'énergie: la lumière et la chaleur venant sous forme de photons qui diffèrent des formes d'énergie que nous avons décrites. Il existe également des particules sans masse - des particules sans énergie de repos - et ces particules, photons, gluons et hypothétiques gravitons, se déplacent à la vitesse de la lumière. Cependant, ils transfèrent l'énergie sous forme d'énergie cinétique et, dans le cas des gluons, ils sont responsables de l'énergie de liaison à l'intérieur des noyaux atomiques et des protons.


La théorie de la liberté asymptotique , qui décrit la force des interactions des quarks dans le noyau, a valu le prix Nobel à Gross, Wilczek et Politzer.

La question fondamentale est de savoir si l'énergie peut exister indépendamment de l'une de ces particules. Il y avait une possibilité tentante qu'elle existe séparément sous forme de gravité: pendant de nombreuses décennies, nous avons observé les orbites des étoiles à neutrons binaires - deux restes d'étoiles effondrées en orbite l'une autour de l'autre. Grâce aux mesures de la durée d'impulsion du pulsar, lorsque l'une des étoiles envoie des signaux réguliers de notre côté, nous avons pu déterminer que ces orbites diminuent et se déplacent ensemble en spirale. Avec une augmentation de leur énergie de liaison, une certaine forme d'énergie devrait être émise. Nous avons pu détecter des effets de réduction, mais pas d'énergie rayonnée.


Pour les étoiles à neutrons tournant l'une autour de l'autre, la relativité générale d'Einstein prédit une diminution des orbites et l'émission de rayonnement gravitationnel

La seule façon d'expliquer cela était d'introduire un certain type de rayonnement gravitationnel: nous avions besoin d'ondes gravitationnelles pour exister. La première fusion de trous noirs enregistrée par le détecteur LIGO le 14 septembre 2015 était censée tester cette théorie. Ce jour-là, nous avons enregistré deux trous noirs en spirale et des ondes gravitationnelles directes émises par cette fusion. Les trous noirs d'origine avaient des masses de 36 et 29 solaires; le dernier trou après la fusion avait une masse de 62 solaires.


Les paramètres les plus importants pour la fusion des trous noirs le 14 septembre 2015. Notez que lors de la fusion, trois masses solaires ont été perdues - mais cette énergie vit sous forme de rayonnement gravitationnel

Les trois masses solaires manquantes ont été émises sous forme d'ondes gravitationnelles, et la force des ondes que nous avons capturées a coïncidé exactement avec celle calculée nécessaire pour conserver l'énergie. E = mc ^{2 d'} Einstein et le transfert d'énergie sous forme de particules ou de phénomènes physiques ont de nouveau été confirmés.


Approche en spirale et fusion de la première paire de trous noirs de tous directement observés

L'énergie prend diverses formes, et certaines d'entre elles sont fondamentales. La masse au repos d'une particule ne change pas avec le temps, tout comme elle ne change pas d'une particule à l'autre. Ce type d'énergie est inhérent à tout dans l'Univers. Toutes les autres formes d'énergie existantes lui sont associées. Un atome dans un état excité transporte plus d'énergie qu'un atome dans l'état fondamental - en raison de la différence d'énergie de liaison. Si vous voulez passer à un état d'énergie inférieur, vous devez émettre un photon; il est impossible de faire cette transition sans conserver l'énergie, et cette énergie devrait être emportée par une particule - même si elle est sans masse.


Dans cette image, un photon (violet) transporte un million de fois plus d'énergie qu'un autre (jaune). Les données de l'Observatoire Fermi pour deux photons provenant d'une rafale de rayons gamma ne montrent aucun retard dans le temps de parcours, ce qui signifie que la vitesse de la lumière est indépendante de l'énergie

Le fait étrange est que l'énergie photonique, ou toute forme d'énergie cinétique (énergie de mouvement) n'est pas fondamentale, mais dépend du mouvement de l'observateur. Si vous vous déplacez vers le photon, son énergie vous semblera plus grande (la longueur d'onde se déplace vers la partie bleue du spectre), et si vous vous éloignez de lui, son énergie sera moindre et elle semblera décalée vers la partie rouge du spectre. L'énergie est relative, mais pour tout observateur, elle est conservée. Quelles que soient les interactions, l'énergie n'existe jamais par elle-même, mais seulement en tant que partie d'un système de particules, massives ou non.


L'énergie peut changer de forme, voire se transformer de l'énergie de la masse en purement cinétique, mais existe toujours sous forme de particules

Il existe un type d'énergie qui peut probablement se passer de particules: l'énergie sombre. La forme d'énergie qui provoque l'expansion de l'univers avec l'accélération peut s'avérer être l'énergie inhérente au tissu de l'univers! Cette interprétation de l'énergie noire est cohérente en interne et coïncide avec des observations de galaxies et de quasars qui sont éloignés et loin de nous. Le seul problème est que cette forme d'énergie ne peut pas être utilisée pour créer ou détruire des particules, et ne peut pas être convertie entre d'autres formes d'énergie. Il semble être une entité en soi, non liée aux interactions avec d'autres formes d'énergie qui existent dans l'univers.


Sans énergie sombre, l'univers n'accélérerait pas. Mais on ne peut pas atteindre cette énergie à travers d'autres particules de l'Univers.

La réponse complète à la question de l'existence d'une énergie propre sera donc la suivante:

• Pour toutes les particules existantes, massives ou non, l'énergie est l'une de leurs propriétés et ne peut exister séparément.
• Pour toutes les situations dans lesquelles il semble que de l'énergie soit perdue dans le système, par exemple, pendant l'extinction gravitationnelle, il existe une forme de rayonnement qui emporte cette énergie, la préservant.
• L'énergie sombre peut être la forme d'énergie la plus pure qui existe indépendamment des particules, mais, à l'exception de l'expansion de l'Univers, cette énergie est inaccessible à toute autre chose dans l'Univers.

À notre connaissance, l'énergie n'est pas quelque chose qui peut être isolé en laboratoire, mais l'une des nombreuses propriétés que la matière, l'antimatière et le rayonnement possèdent. Créer une énergie indépendante des particules? Peut-être que l'Univers fait cela, mais jusqu'à ce que nous apprenions à créer ou à détruire l'espace-temps, de telles actions ne fonctionnent pas pour nous.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].