Par Marc Lachièze-Rey
(DUNOD, 21.90 €)
Depuis son élaboration relativement récente (environ deux siècles), aucun domaine de la physique n’échappe au concept d’énergie. Au-delà de ses applications scientifiques, l’énergie a largement envahi la sphère publique. Pas un jour ne passe sans que l’actualité nous rappelle notre entière dépendance à l’énergie : risques de pénurie, choix des modes de production de l’énergie électrique, impacts environnementaux. Elle est également au centre de notre vie privée : choix de notre mode de déplacement, de notre mode de chauffage.
Au-delà de cette perception commune de l’énergie, le professeur Lachièze-Rey se propose d’en analyser les propriétés fondamentales. Au fond qu’est-ce que l’énergie ? Son exploration couvre les trois domaines de la physique moderne: physique classique d’abord, la plus familière à nos sens, puis les théories relativistes d’Einstein où gravitation et énergie se conjuguent, et enfin le domaine de l’infiniment petit, gouverné par les théories de la physique quantique.
Dès le 17ème siècle des machines exploitant la vapeur avaient été conçues. Le physicien Denis Papin (1647-1713) fut un précurseur, suivi par le pasteur Thomas Newcomen constructeur de la première machine industrielle en 1712. Comment transformer efficacement de la chaleur issue d’une ‘’source chaude’’ en travail utilisable ? Telle était la question que se posaient les physiciens au début du 19ème siècle. Les échanges entre chaleur et travail sont à l’origine de la thermodynamique. Le physicien Sadi Carnot (1796-1832) jette les bases de cette nouvelle discipline. William Thomson (1824- 1907 anobli Lord Kelvin) s’appuyant sur les travaux de Joule, énoncera la formulation des deux principes. Il en attribua la paternité à Joule, Carnot et au physicien Claudius (1822-1888).
Premier principe : l’énergie ne peut être ni créée ni détruite ; elle ne peut que changer de forme. Dans tout processus il y a autant d’énergie à la fin qu‘au début, mais sa valeur absolue n’est pas précisée, car on ne traite ici que des variations d’énergie. L’énergie intervient dans tous les échanges. Ainsi pour maintenir le travail du métabolisme, notre organisme absorbe l’énergie contenue dans les végétaux, eux-mêmes chargés d’énergie acquise par la photosynthèse des rayons du Soleil, seule et unique source d’énergie de la vie sur Terre.
Le second principe est analysé sous l’angle de l’entropie. Identifiée par Claudius en 1865, cette grandeur est difficile à interpréter. On se bornera ici à ne citer que deux corolaires du second principe : i) la variation d’entropie d’un système isolé ne peut être négative et conséquemment la chaleur ne peut être transférée que d’un corps chaud à un corps froid ; ii) inexistence du mouvement perpétuel. La thermodynamique et le concept d’entropie réapparaitront en trame de fond dans la suite du livre, montrant l’importance que leur accorde l’auteur.Anticipant sur la prochaine section qui établit l’identité entre masse et énergie, on retiendra que c’est la fraction utilisable de l’énergie d’un objet qui est évoquée dans le langage courant. Elle est infime par rapport à la masse de l’objet : à masse égale, elle est de quelques millionièmes pour l’uranium, de quelques milliardièmes pour le pétrole, nulle pour des gravats.
Changement d’échelle au chapitre 3 : l’énergie y est analysée à la lumière des théories relativistes. Un objet perd de la masse quand il émet de l’énergie. Cette constatation est à l’origine de l’équation d’Einstein E = mc2 ou, dans sa version débarrassée de c (facteur de conversion d’unités), E = m. Le statut de l’énergie semble définitivement scellé : masse et énergie se confondent (ce qui permet aux physiciens d’exprimer la masse d’une particule en unité d’énergie : 1 GeV pour le proton). Issue de la théorie de la relativité restreinte, c’est la théorie de la relativité générale qui donne son sens le plus profond à cette relation par le fait que masse et énergie produisent les mêmes effets gravitationnels ou encore, comme l’énergie, que la masse varie avec le mouvement.Dans le monde relativiste, l’énergie perd son caractère absolu : elle devient dépendante de l’observateur et de la gravitation. Elle ne peut-être isolée de l’espace et du temps. Elle y est formulée comme un objet mathématique: le quadrimoment. La loi de conservation de l’énergie devient alors la conservation du quadrimoment- énergie.
Le chapitre 4 développe amplement le rôle de la gravitation dans le cosmos. Les phénomènes les plus violents connus dans l’univers, telles les explosions de super nova ou la fusion de trous noirs s’analysent en termes de transformation ou de transferts d’énergie. Thermodynamique et entropie des trous noirs y sont traités pour poser les bases d’une thermodynamique gravitationnelle, qualifiée de discipline en devenir.Le chapitre 5 est une revue exhaustive de l’état des connaissances en physique quantique. A l’origine de la théorie : la quantification de l’énergie mise en évidence par Plank en 1900, confirmée par Einstein en 1905. Elle est consacrée par la formule E = hn. Les étrangetés de la physique quantique y sont revisitées sous l’angle de l’énergie, pour aboutir à la nécessité d’une thermodynamique quantique en lien avec l’entropie et l’information quantique. S’en suit une exploration de la relation d’incertitude temps-énergie.Le chapitre 6 explore la question fondamentale de la gravité quantique. L’auteur s’y montre critique à l’égard des approches visant à résoudre les difficultés actuelles de la physique quantique, plutôt que de s’occuper du temps et de la gravitation qui seraient traités dans le cadre d’une nouvelle théorie de gravité quantique. La gravité quantique en boucle semble avoir la faveur de l’auteur.
D’une impressionnante densité d’informations scientifiques, le livre n’est pas d’un abord facile pour un lecteur étranger aux concepts qui y sont abordés, si ce n’est la partie portant sur la physique classique (70 pages sur 250). Par ses remises en question et ses propositions, l’auteur semble souvent s’adresser à la communauté des chercheurs en physique fondamentale. Toutefois une lecture patiente, facilitée par un style fluide et rigoureux, permettra au néophyte de découvrir les multiples facettes du concept d’énergie en même temps que les théories de la physique contemporaine.
Jean-Claude Richard
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