Vous ne le savez peut-être pas, mais il existe plusieurs définitions de la masse. La masse d’un corps peut être définie de plusieurs façons différentes, mais les valeurs obtenues sont étrangement identiques.
Un peu comme il est possible, en peinture, d’avoir un tube de peinture verte, ou alors un mélange de peinture jaune et de peinture bleue : les deux méthodes sont distinctes, mais sont équivalentes et impossibles à distinguer.
Qu’appelle-t-on la masse ?
Masse & poids
Le poids est la force qui nous maintient sur Terre, grâce à la pesanteur. Si l’on était sur la Lune, la pesanteur serait moins forte, la force qui nous maintiendrait sur la Lune également et notre poids serait plus faible.
Sans rien changer, notre poids peut donc être différente selon l’endroit où nous nous trouvons. La masse, elle, n’aura pas changé. Le poids n’est donc pas la masse.
La masse est liée au poids (de façon linéaire et constante) par l’accélération de la pesanteur, mais ce sont bien des choses différentes.
Masse & quantité de matière
Certains diront que la masse est la quantité de matière d’un objet, son nombre d’atomes.
Ainsi, on remarque qu’un petit caillou a une masse plus faible qu’une grosse pierre, car il y a juste moins de roche. Si cette remarque est juste, l’analogie n’est valable qu’à l’échelle humaine.
En effet, à l’échelle atomique, cela n’est plus vrai. Par exemple, un atome de carbone 12 pèse moins lourd que trois atomes d’hélium 4. Pourtant, dans les deux cas, nous avons un total de 6 neutrons, 6 protons et 6 électrons !
C’est donc comme un rocher pesait plus lourd si on le brisait en gravier ou en poussière.
Ici, la différence de masse — d’environ 0,05 % dans le cas du carbone et de l’hélium — provient du regroupement des particules. Une partie de la masse des particules séparées (en trois atomes d’hélium) est devenue de l’énergie de cohésion, qui maintient ces particules ensemble (en un atome de carbone). Cette masse devenue énergie se fait selon l’équivalence masse-énergie bien connue de l’équation d’Einstein :
$$E=mc^2$$
Il faut donc distinguer « masse » et « quantité de matière » : un même nombre de particules n’a donc pas toujours la même masse selon leur configuration !
Deux origines différentes de la masse, une seule quantité
Les deux définitions de la masse sont réelles et justes mais d’origines totalement différentes.
La masse inerte
La masse inerte est liée à l’inertie. L’inertie est la tendance d’un corps à maintenir sa vitesse (éventuellement nulle) sans la changer.
Si vous faites rouler un ballon par terre, le ballon pourra continuer à rouler même si vous arrêtez de le pousser : c’est son élan. L’inertie traduit l’intensité de cet élan.
L’inertie est liée à la masse. Ainsi, un ballon de football et un boulet de canon lancés à des vitesses identiques n’ont pas la même inertie : le ballon sera facilement stoppé, mais le boulet de canon sera bien plus difficile à arrêter.
Même chose dans l’autre sens : si les objets sont à l’arrêt, les mettre en mouvement dépendra également de l’inertie : un ballon est simple à mettre en mouvement. Un boulet de canon en acier, nettement moins.
Cette différence d’inertie vient de la différence de masse inerte qui est exactement ça : le coefficient qui quantifie la force nécessaire pour imprimer une accélération à un objet (l’accélération étant, en physique, le fait de modifier la vitesse d’un corps, que ce soit en accélérant, en décélérant, ou en changeant sa direction).
Cette masse dérive de la définition du principe d’inertie se nomme donc « masse inerte ».
La masse grave
Il existe une seconde définition de la masse, que vous connaissez également. Mais si ! Quel est le plus lourd entre un kilogramme de plomb et un kilogramme de plumes ? Aucune, bien sûr !
Mais pourquoi ?
La réponse réside avec la gravité : les deux sont aussi lourds, et donc aussi simples à soulever. Autrement dit, les deux subissent la même attraction de la part de la Terre.
Et c’est bien ça, la masse : la contribution à une force de gravitation. Un corps plus massif attire plus fortement les objets vers lui.
Cette masse-là est nommée « masse grave », car elle vient du principe de gravitation.
Masse inerte et masse grave : une seule et même chose ?
Ces deux définitions de la masse (masse inerte et masse grave) sont bien différentes, car pouvant être définies et expliquées indépendamment.
Pourtant, expérimentalement on a constaté que les deux masses sont égales : les mesures les plus précises donnent des égalités au milliardième du milliardième près ! Et les écarts constatés ne le sont seulement parce que l’on peine à faire des instruments plus précis.
Cette équivalence porte le nom de principe d’équivalence faible (il y a d’autres principes d’équivalences en physique).
C’est grâce à ce principe que l’on peut confondre la masse inerte et la masse grave et l’appeler tout simplement « masse » d’un corps.
Pour conclure
La masse est donc une seule grandeur qui a deux définitions (et deux conséquences) : une liée à la soumission au champ de gravitation, et une liée à la résistance à la mise en mouvement.
Pour aller plus loin, on peut dire qu’à cause de son équivalence avec l’énergie, deux types de masses appellent à deux types d’énergie.
L’énergie cinétique, par exemple, représente l’énergie à communiquer à un corps pour en modifier sa vitesse.
L’énergie de masse, par contre, est l’énergie à donner à un corps pour qu’il puisse commencer à attirer d’autres objets massiques vers lui.
D’un point de vue relativiste, ces deux phénomènes sont également liés : en effet, un corps lancé à une vitesse proche de celle de la lumière a beaucoup plus d’énergie cinétique que d’énergie de masse.
