Conversion Matière-énergie

L’une des astuces les plus intéressantes que notre univers puisse évoquer est la conversion entre matière et énergie. Chaque fois que vous voyez un éclair de lumière, l’objet qui l’a émis perd une petite fraction de sa masse, devenant légèrement plus léger. De même, lorsqu’un objet absorbe la lumière, il gagne une petite quantité de masse.
Ce phénomène est connu sous le nom de conversion matière-énergie. Il fonctionne à tous les niveaux, du mouvement des électrons entre les coquilles à la fusion et à la division des protons et des neutrons au sein d’un noyau. Qu’une telle chose puisse se produire est étonnant car, à première vue, les ondes électromagnétiques, telles que la lumière visible, semblent n’avoir rien de commun avec les substances dures dont sont composés les objets du quotidien.

E = mc 2?

L’étendue de la conversion entre matière et énergie est régie par la fameuse équation d’énergie relativiste E =mc2. Essentiellement, cette équation nous indique que la quantité totale d’énergie disponible dans une quantité de masse donnée (si la masse pouvait être entièrement convertie en énergie) est déterminée en multipliant la masse par la vitesse de la lumière au carré.
Cette formule peut être dérivée en utilisant une application de formules de Relativité restreinte (SR). Je vais laisser de côté la dérivation telle que vous pouvez la voir sur un certain nombre de sites tels que ici.
À ce stade, certaines alarmes peuvent sonner. Dans les premiers chapitres de ce livre, j’ai mis en évidence une multitude de problèmes inhérents à la théorie SR. Si ces objections sont vraies, cela signifie-t-il que cette équation énergétique est défectueuse? Mettons cette question de côté pour l’instant et étudions le processus de conversion.

L’atome d’hydrogène de Bohr

Dans un chapitre précédent sur les orbites atomiques, nous avons examiné le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène. Dans ce modèle, les électrons orbitent uniquement à des distances fixes du noyau et sont capables de sauter d’une orbite à l’autre. Lorsqu’un électron passe d’une orbite haute à une orbite basse (c’est-à-dire plus proche du noyau), il émet un photon de fréquence spécifique.
Le principe de conversion matière-énergie nous dit que, lorsque ce photon est émis, la masse de l’atome doit diminuer car de l’énergie a été créée. Cela soulève une question intéressante. Si sa masse diminuait, quelle partie de l’atome la perdait?
Les seules parties de l’atome d’hydrogène sont le proton et l’électron. Le proton ou l’électron perd-il? Puisque l’électron est l’objet qui se déplace entre les coquilles (sur des orbites fixes), c’est probablement celui-ci qui perd de la masse. Hélas, cela crée un dilemme.
Bohr a une équation qui prédit avec précision les fréquences en fonction des coquilles entre lesquelles l’électron s’est déplacé. Il se présente sous cette forme :

f = \frac{2\pi^2 k^2 e^4 m}{h^3}\left (\frac{1}{n_1{}^2} - \frac{1}{n_2{}^2}\right)

Où f est la fréquence, k est la constante de coulomb, e est la charge d’électrons, h est la constante et n1 et n2 sont des valeurs entières pour les coquilles déplacées entre elles.
Notez le m dans cette équation qui représente la masse d’électrons. Si cette masse changeait, la fréquence calculée serait différente. Considérant que cette équation prédit correctement les fréquences cependant, cela indique que sa masse ne peut pas changer. Après tout, une diminution de masse modifierait sûrement son comportement orbital.
Donc, si l’électron ne perd pas de masse, qu’en est-il du proton? Vu qu’il est beaucoup plus lourd, le proton pourrait certainement se permettre de perdre un peu. Pour autant que nous puissions dire cependant, le proton n’est pas impliqué dans la transition de l’électron entre les coquilles. Il semble donc étrange que le proton perde quoi que ce soit.
Pourtant, le fait que les réactions chimiques et nucléaires libérant de l’énergie rendent les matériaux plus légers est indéniable. Comment cela pourrait-il être? Nous devons examiner plus en profondeur les mécanismes possibles impliqués.

Comprendre la masse

Pour déterminer comment la perte de masse pourrait se produire, réfléchissez à la question:
Qu’est-ce que la masse?
D’accord, c’est difficile. Reformulons donc :
Comment mesure-t-on la masse ?
C’est plus facile. Fondamentalement, il y a deux façons: l’une est par gravité et l’autre par inertie. L’utilisation de la gravité pour mesurer la masse implique de placer une masse sur une échelle, comme une échelle à ressort, et de mesurer la force en fonction de l’étirement de son ressort. L’utilisation de l’inertie implique d’appliquer une force connue à une masse et de mesurer sa vitesse d’accélération.
En termes pratiques, la gravité est l’option la plus facile. Le problème avec la gravité est cependant que la mesure varie avec le champ gravitationnel. Par exemple, une échelle de printemps indiquerait une masse d’un sixième sur la Lune et zéro à bord d’un satellite en orbite. Les mesures basées sur l’inertie n’ont pas ce problème et donneront le même résultat partout. Concentrons-nous donc sur les mesures basées sur l’inertie et laissons les aspects gravitationnels pour plus tard.
Maintenant, pour une question très importante:
Si quelque chose à propos du processus de déplacement des électrons entre les orbites provoquait une mesure basée sur l’inertie pour enregistrer une valeur de masse moindre, cela rendrait-il l’objet plus léger?

Comprendre Newton

Le mouvement des objets est régi par les lois du mouvement de Newton. Ces lois incluent les principes de l’élan et de la conservation de l’énergie. Nous voyons ces principes en action partout; ils fonctionnent toujours et nous n’avons aucune raison d’en douter.
Un autre principe est l’équilibre des forces. Si vous poussez contre un objet, il “repousse” toujours avec une force égale dans la direction opposée. La personne moyenne le sait comme “pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée”” À “égal et opposé“, on peut ajouter ”et simultané” car la force de réaction repousse toujours au même instant.
Ou le fait-il?
Lorsque vous poussez contre quelque chose, vous ne le poussez pas directement. Par exemple, lorsque vous utilisez votre main pour fermer une porte, votre main ne touche pas réellement la porte. Au lieu de cela, les électrons entourant les atomes dans la couche externe de votre main se rapprochent très près des électrons à la surface de la porte. À ce stade, les couches d’électrons se pressent les unes contre les autres, forçant votre main et la porte à se séparer.
La force que vous ressentez n’est vraiment qu’une répulsion électrostatique. Les électrons se repoussent avec une force égale, ce qui donne l’effet “égal et opposé”.
Maintenant, voici où ça devient intéressant. Nous savons que les particules chargées ne se poussent pas directement. Au lieu de cela, chaque particule génère un champ, et ce champ interagit ensuite avec d’autres particules. Nous savons également que le champ se déplace à une vitesse limitée: la vitesse de la lumière. Il y a donc un bref délai entre le moment où une particule se déplace et où une autre répond.

Une étude du temps et du mouvement

Pour comprendre les conséquences d’une réponse retardée étudions une situation simple impliquant des particules chargées. Voir ci-dessous.

Dans le diagramme ci-dessus, deux particules chargées positivement sont maintenues à une distance fixe l’une de l’autre. Que les particules de gauche et de droite soient appelées particules 1 et 2, et colorées respectivement en bleu et en vert. Par souci de simplicité, nous dirons qu’ils ont chacun une charge de 1 (en unités arbitraires), une masse de 1 et sont séparés par une distance de 1. Ils sont immobiles, maintenus en place et subissent chacun une force opposée de 1 Newtons.
Que la vitesse de la lumière soit de 1 unité de distance par seconde, ce qui signifie qu’il faudra 1 seconde au champ pour communiquer entre les particules. Le temps est maintenant de t-moins – une seconde. Nous allons maintenir les particules dans cette position pendant 1 seconde pour laisser le temps à leurs champs statiques de se rejoindre.
Maintenant à t = 0 secondes, nous libérons les deux particules. Nous donnons à la particule 2 (à droite) un coup de coude brusque vers la particule 1 de sorte qu’elle se déplace maintenant à 50% de la vitesse de la lumière. Voir ci-dessous.

Nous souhaitons savoir comment ces particules vont se déplacer et quel sera l’effet du retard de champ. Pour commencer cependant, prenons le cas standard où nous supposons que la lumière se déplace à une vitesse infinie et que les interactions sont immédiates.

Les graphiques ci-dessus montrent la position et la vitesse des particules 1 et 2 sur une période de 1,5 seconde. La figure 3 montre leurs positions (lignes bleues et vertes), la ligne rouge étant leur centre de masse. La figure 4 montre les vitesses avec la ligne rouge représentant le momentum total. Comme prévu, le centre de masse se déplace en ligne droite et l’élan est conservé; restant constant tout au long.
Ensuite, nous réglerons la vitesse de la lumière à 1 unité par seconde.

La figure 5 montre la vitesse des particules 1 et 2 et la quantité de mouvement totale (même schéma de couleurs). Pendant les 0,8 premières secondes, la particule 1 (bleue) suit le même chemin que précédemment. Soudain, il est frappé par l’impact du champ de la particule 2 se déplaçant à 0,5c vers la gauche, ce qui augmente l’accélération de 1.
La particule 2 (verte) est différente du scénario précédent. Il ressent immédiatement une grande résistance due à son mouvement dans le champ existant de la particule 1. À 1.2 secondes, la particule 2 ressent une diminution de la force du champ de la particule 1, due au mouvement initial de la particule 1 vers la gauche. L’accélération de la particule 2 diminue alors légèrement (bien que difficile à voir dans le graphique).
Ce qui est plus important cependant, c’est l’élan (ligne rouge). Comme on peut le voir, ce n’est pas une constante et n’a pas été préservée.
Le graphique ci-dessus (figure 5) a été réalisé en utilisant la VDCL (Loi de Coulomb dépendante de la vitesse). À titre de comparaison, répétons ce qui précède en utilisant la loi de Coulomb standard.

Sur la figure 6, la particule 1 (bleue) se comporte de manière très similaire à la situation de vitesse infinie de la lumière. Puis à 0,92 seconde, il est frappé par une augmentation de champ de la particule 2. La particule 2 (verte) ressent immédiatement une augmentation de la force de la particule 1, en raison de son rapprochement; bien que la force n’augmente pas autant qu’avec le boîtier VDCL. Puis à 1,36 seconde, il subit une légère chute de force due au mouvement de la particule 1 (bien que difficile à voir sur le graphique).
La chose importante à noter cependant est que l’élan (ligne rouge) n’est toujours pas conservé, même avec la loi de Coulomb standard. Bien qu’il ne soit pas aussi déformé que le cas VDCL.

Jouer au croquet

Voyons comment cela pourrait se traduire par une perte de masse. Imaginez que vous teniez un maillet de croquet (marteau) et que vous êtes sur le point de frapper une balle. Voir ci-dessous.

Dans le cadre gauche, le maillet s’approche d’une balle stationnaire. Dans le cadre droit, le maillet a frappé la balle qui s’éloigne maintenant. Si nous connaissons la masse du maillet et les vitesses des objets avant et après, nous pouvons déterminer la masse de la balle en utilisant les lois de conservation de l’élan.
Maintenant, disons qu’il y a une rangée de balles similaires et que vous les frappez une à la fois, en appliquant la même force au maillet à chaque fois. Ce faisant, vous observez que chaque balle s’éloigne à la même vitesse. Vous frappez ensuite une balle et remarquez qu’elle s’éloigne à une vitesse plus élevée.
Votre première pensée serait que cette balle doit être plus légère que les autres. Cette conclusion serait basée sur votre familiarité avec les lois de l’élan. Mais que se passe-t-il si la balle avait réellement la même masse que les autres et poussait pourtant plus fort contre le maillet? Cela le ferait s’éloigner plus rapidement et donnerait l’impression qu’il était plus léger. Comment cela a-t-il pu arriver ?
Comparez le mouvement entre les figures 4 et 5 ci-dessus. Sur la figure 5, notez que lorsque la particule 2 (verte) s’est initialement déplacée rapidement vers la gauche, elle a reçu une forte poussée du champ de la particule 1 (bleue). Cela a entraîné une poussée plus rapide de la particule 2 vers la droite que sur la figure 4. Initialement, la particule 1 ne voyait rien de ce mouvement et, au moment où elle le faisait, elle était plus éloignée et avait donc moins de réponse. Le résultat net était que la particule 2 s’éloignait plus rapidement de la particule 1, comme si elle était plus légère.
La clé ici est l’accélération. La particule 2 a ressenti une augmentation soudaine de la force opposée car elle a augmenté sa vitesse vers la particule 1. Si la particule 2 s’approchait de 1 à grande distance avec une vitesse constante, 1 et 2 subiraient des forces égales et opposées.

Orbites d’électrons

Voyons maintenant comment cela pourrait affecter les atomes. Lorsqu’un électron tombe sur une orbite inférieure, il se rapproche du noyau et ressent une plus grande force d’attraction. Tout comme les planètes proches du Soleil, elle devrait orbiter plus rapidement pour maintenir sa stabilité.
Mais non seulement la vitesse augmentera, mais son accélération aussi lorsqu’elle est vue dans une direction. Les effets de ceci peuvent être vus dans la séquence suivante de diagrammes.

Ci-dessus se trouvent deux atomes d’hydrogène avec leurs électrons sur des orbites différentes. L’atome supérieur a une orbite haute et l’atome inférieur une orbite basse. À gauche se trouve une paroi d’électrons qui représente la peau extérieure d’un objet qui s’approche. À cette distance, le mur est trop éloigné pour avoir beaucoup d’effet sur les atomes.

Maintenant, le mur (ci-dessus) est à distance où les particules interagissent avec lui. L’électron en orbite haute se déplace et accélère lentement dans le champ de la paroi qui s’approche. En conséquence, si se sent une force opposée faible. L’électron en orbite basse se déplace et accélère rapidement dans le champ de la paroi en approche. En conséquence, il ressent une forte force opposée.
Le résultat final est que l’atome d’orbite basse s’éloigne plus rapidement de l’objet que l’atome d’orbite haute.

Cela donne l’impression que l’atome en orbite basse pèse moins que l’atome en orbite haute, alors qu’en réalité ils pèsent le même poids.

Auto-propulsion ?

Comme on peut le voir dans les démonstrations ci-dessus, qui ont d’ailleurs été dérivées de simulations informatiques, la vitesse limitée de la lumière fait que l’élan et le centre de masse ne sont pas parfaitement préservés. Une application intéressante en découle.
Il devrait être théoriquement possible d’amener un objet à déplacer son centre de masse sans pousser contre un objet externe. Cela impliquerait que des composants chargés électriquement à l’intérieur de l’objet soient accélérés les uns contre les autres de manière appropriée. Fait correctement, cela provoquerait un incrément net de vitesse dans une direction donnée. Si ce processus était répété en continu, il conduirait à la vitesse finale souhaitée, même supérieure à la vitesse de la lumière, sans avoir besoin d’éjecter un propulseur.
Pour voir comment cela pourrait fonctionner dans la réalité, voir ce chapitre supplémentaire:
Idées de propulsion sans propulseur (

Autres considérations

Les conjectures ci-dessus sont incomplètes car elles ne fournissent pas d’équations permettant de prédire l’étendue de la perte de masse apparente. Nous devons également examiner comment cette perte de masse peut fonctionner dans le cas des mesures de gravité et comment la jonction des protons et des neutrons pourrait provoquer des changements de masse.

Conclusions

Les lois du mouvement de Newton sont basées sur l’hypothèse que des forces opposées entre objets opèrent simultanément. Dans des situations normales, il s’agit d’une hypothèse parfaitement raisonnable. Lorsque deux objets se percutent, c’est-à-dire “touchent”, la distance entre eux est si petite et la vitesse de la lumière si rapide, que le temps de réponse pourrait être considéré comme instantané.
Mais ce n’est pas toujours le cas. La vitesse finie des champs électriques signifie que dans des situations de forte accélération, le mouvement des particules chargées ne suit pas le chemin newtonien attendu.
Lorsque les électrons se déplacent sur des orbites inférieures, ils se déplacent et accélèrent plus rapidement. Cela les amène à donner un degré de répulsion plus élevé contre le champ d’un deuxième atome. Cela peut à son tour faire apparaître que le premier atome a perdu de la masse, alors qu’en fait sa masse n’a pas changé.

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