Pourquoi la matière ne peut pas être créée ou détruite: la loi de conservation de la masse expliquée

Une hypothèse vraiment élégante de la physique est l'hypothèse de « l'univers zéro-énergie ». Il propose que la somme nette de l'énergie dans l'univers équivaut parfaitement à zéro. Selon l'idée, si vous additionnez l'énergie et la masse de chaque planète, étoile, molécule d'eau, graviton, colibri et tout le reste, tout serait égal à zéro. En d'autres termes, le modèle suggère que l'énergie positive et l'énergie négative dans l'univers sont parfaitement équilibrées. Bien qu'il soit fondamentalement impossible à calculer, car cela nécessiterait de mesurer la masse-énergie de l'univers entier, l'hypothèse de l'univers zéro-énergie semble raisonnable en considérant une loi bien établie de la physique.

La loi de conservation des États de masse que la masse ne peut être ni créée ni détruite. Fait intéressant, de nombreux philosophes anciens ont observé le talent des réactions chimiques et physiques pour réorganiser simplement la matière plutôt que de la supprimer de l'existence. Par exemple, un morceau de bois ne peut pas être brûlé sans produire une quantité substantielle de fumée et un petit tas de cendres de carbone. Même les non-scientifiques pouvaient voir que la matière ne disparaît jamais vraiment.

Bien que ces premières observations soient sur la bonne voie, elles n'étaient pas basées sur la science objective. Ce n'est que par l'ère moderne que les scientifiques ont fourni des preuves empiriques du phénomène. En 1789, Antoine Lavoisier a découvert comment la masse ne peut pas être créée ou détruite. Il a publié une preuve scientifique que dans toute réaction chimique fermée, le nombre d'atomes, et donc la masse du système, est resté le même du début à la fin. Des années plus tard, la conservation de l'hypothèse de masse a été affinée. Il a été proposé que la masse et l'énergie étaient essentiellement les mêmes sous différentes formes. Ainsi, le concept de masse-énergie, dans un terme combiné, a expliqué comment les réactions nucléaires pouvaient perdre la masse et conserver toujours l'équilibre du système.

La loi de la conservation de la masse est vraie pour les réactions physiques et chimiques. Dans une réaction physique, les atomes et les molécules du système conservent la même composition, même lors de la combinaison de nouvelles manières. Par exemple, le gel de l'eau liquide en glace solide est une réaction physique, mais le changement de température ne change pas réellement la composition chimique du système. Intuitivement, un gramme d'eau liquide et un gramme de glace contiennent la même quantité d'atomes, de sorte que la loi est conservée.

Dans une réaction chimique, les molécules et les atomes modifient leurs configurations pour former de nouvelles structures chimiques. De telles réactions se produisent à partir d'une certaine forme de catalyseur, comme un changement de température ou l'introduction d'un produit chimique réactif. Par conséquent, la conservation de la masse dans une réaction chimique n'est pas aussi apparente que celle d'une réaction physique, mais elle demeure toujours par la conservation de la masse. Les composants d'une réaction chimique peuvent se transformer en gaz, exploser dans de fantastiques flashs de lumière, brûler en taches carbonisées ou réduire en volumes beaucoup plus petits. Néanmoins, la quantité totale d'atomes impliqués dans la réaction reste la même, ce qui signifie que la masse totale du système reste également la même. En termes simples, la combinaison d'éléments dans de nouvelles molécules libèrera ou absorbera l'énergie, mais les atomes impliqués restent les mêmes.

Dans un bel résultat de la physique et de la chimie, nous savons maintenant que essentiellement tous les atomes sur Terre ont été créés il y a des milliards d'années à partir des explosions à haute énergie des supernovas et dans le cœur des premières étoiles de l'univers. Cependant, une telle révélation mène à une autre question: la loi de la conservation de la masse est-elle maintenue lorsque la structure nucléaire des atomes est-elle fondamentalement modifiée?

En surface, les réactions nucléaires semblent enfreindre la règle de la conservation de la masse. Cependant, les théories de la relativité d'Einstein fournissent une solution. En fait, c'est l'équation la plus célèbre d'Einstein qui a à la fois menacé et résolu l'énigme: E = MC². Fondamentalement, en considérant la masse et l'énergie comme deux formes de la même chose, une nouvelle perspective est née. Cette célèbre équation prouve que si la masse d'un système pourrait changer via une réaction nucléaire, la masse globale du système reste la même.

Dans une réaction nucléaire, que ce soit par fission ou fusion, la distinction entre la masse et l'énergie est floue. Contrairement à une réaction physique ou chimique, les atomes impliqués dans une réaction nucléaire peuvent changer leurs valeurs atomiques. Dans une tournure nette de mathématiques, l'énergie libérée et la masse perdue dans le processus sont directement corrélées du début à la fin.

Parce que la masse est une propriété de la matière, les «trucs» de l'univers affectés par la gravité, les réactions nucléaires conservent toujours la masse globale des systèmes. En effet, ce n'est que dans la physique nucléaire, développé au début du XXe siècle, la conservation de la masse semble vaciller. Sur Terre, peu d'événements courants créent les conditions nécessaires pour provoquer un «défaut de masse» ou une conversion de la masse en énergie. Des défauts de masse se produisent dans les réactions nucléaires, telles que la fusion stellaire et la fission dans les bombes atomiques.

Avec la loi de la conservation de la masse en danger, l'une des premières expériences à sauver le phénomène (et confirmé les théories d'Einstein) a été réalisée en 1932 par Cockroft et Walton, qui ont accéléré les particules pour observer les réactions à haute énergie des atomes dans lesquelles leurs valeurs atomiques ont changé. L'expérience a conclu que lorsque la masse était perdue, une quantité équivalente d'énergie a été libérée. L'étude a été la première de nombreux à soutenir l'équivalence entre la masse et l'énergie.

La loi de conservation de la masse pourrait dépendre de la physique einsteinienne lorsque les réactions nucléaires entrent en jeu, mais des exemples moins élevés et plus courants se produisent dans notre vie quotidienne avec des réactions chimiques et physiques. La masse, l'énergie et le poids dans le monde réel sont beaucoup plus faciles à visualiser et à observer, et la distinction entre la masse et l'énergie devient moins perceptible.

Un exemple classique est l'incendie du bois. Que ce soit dans un feu de joie ou un match de sécurité, le bois brûle pour créer des cendres, du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. La combustion dépend de l'oxygène de gaz présent dans l'air, ce qui alimente la réaction. En fait, l'introduction de particules d'oxygène avec de la chaleur et le carbone présent dans le bois est ce qui combine pour former la merveilleuse flamme que nous connaissons tous. Ce que certaines personnes ne savent peut-être pas, cependant, c'est que la combustion commence et se termine par la même quantité de masse. En fait, tous les éléments au début d'une réaction de combustion sont toujours présents à sa fin. Bien qu'ils changent la structure moléculaire et que le changement émet de la chaleur, les éléments impliqués dans le bois de brûlure sont tous présents une fois que le bois s'est transformé en fumée et en cendres.

Peut-être l'exemple le plus important de la conservation de la masse pour nous, les humains, se produit dans la photosynthèse. Les plantes convertissent le dioxyde de carbone en glucides, libérant l'oxygène (la partie « dioxyde » du « dioxyde de carbone »). Lorsque ces plantes sont consommées, leurs glucides sont convertis en gaz de carbone, y compris le méthane et le dioxyde de carbone. Tout au long du cycle, peu importe ni la masse n'est perdue. L'énergie du système peut être perdue comme chaleur, mais les plantes utilisent l'énergie du soleil pour catalyser le processus de photosynthèse en premier lieu. Ainsi, la masse et l'énergie sont conservées.