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« Quel est ton poids ? – 42 kg ! »

15 February 2011

Cette erreur commune de confondre le poids et la masse montre la difficulté que nous avons à appréhender ces concepts. Ce sont pourtant deux choses différentes. Le poids est relié à l’attraction gravitationnelle ; c’est-à-dire à la force qui nous permet de rester en contact avec le sol. La masse, que l’on exprime en kilogrammes dans le Système International d’unités (SI), peut être définie de différentes manières.

Historiquement, la masse a d’abord été vue comme une quantité de matière. Depuis l’antiquité, les Hommes ont pu faire du commerce grâce à cette notion de masse. Les masses n’étaient pas directement mesurées mais comparées les unes aux autres à l’aide de balances. Cette approche nécessitait d’avoir des masses de référence communes, ce qui ne fut pas le cas globalement pendant très longtemps, chaque région ayant ses particularités. Il fallu attendre l’avènement du système métrique à l’époque de la Révolution Française pour unifier la mesure de la masse grâce à un étalon international. Cet étalon, en platine iridié, est conservé au Bureau International des Poids et Mesures, près de Paris, et est la référence internationale absolue du kilogramme. Aujourd’hui, ce concept de quantité de matière peut être rattaché au nombre d’atomes constituants un corps mais il nécessite toujours une référence. Le kilogramme-étalon est cependant une chose dont les scientifiques aimeraient bien s’affranchir. Malgré les protections qui l’entourent, l’étalon a vu sa masse varier très légèrement, il n’est pourtant sorti du coffre que trois fois depuis sa création en 1889. De plus, c’est le dernier étalon matériel existant, toutes les autres grandeurs du SI, comme le mètre, ayant pu s’exprimer en fonction des constantes fondamentales de la physique. Y a-t-il d’autres moyens de définir la masse sans utiliser d’étalon ?

Quand nous parlons du poids en lieu et place de la masse, c’est parce que nous utilisons l’une de ses propriétés qui est de subir (et de créer) l’attraction gravitationnelle. Depuis les travaux d’Isaac Newton, nous savons que tous les corps massifs s’attirent entre eux. Cette force est toutefois extrêmement faible et nécessite des masses très importantes, comme celle d’une planète, pour avoir des effets visibles à notre échelle. Dans le contexte gravitationnel, on parle alors de la « masse grave ». Le poids, qui est l’attraction gravitationnelle de la Terre sur un corps dans son voisinage, est directement proportionnel à la masse grave du corps. C’est peut-être grâce à cette propriété que l’on pourra se passer à l’avenir du kilogramme-étalon en utilisant une balance spéciale, la balance du watt, qui permet d’exprimer une masse grave en intensité électrique.

La masse a également un effet sur la mise en mouvement des corps. Il est beaucoup plus difficile de pousser un camion que de pousser une voiture, par exemple, ceci étant également vrai en l’absence de pesanteur. Cette propriété de s’opposer au mouvement, de résister à l’accélération, s’appelle l’inertie. Elle intervient dans le principe fondamental de la dynamique et est donc primordiale en mécanique classique. Dans ce contexte, on parlera donc de « masse inerte ».

Comme la masse grave et la masse inerte sont deux propriétés différentes, il est possible de les mesurer indépendamment. Jusqu’à présent, les scientifiques ont toujours trouvé des valeurs égales ce qui montre bien que ce sont deux aspects différents d’une même grandeur. C’est le principe d’équivalence de Galilée. En effet, dans le vide, tous les corps chutent à la même vitesse. Les corps plus massifs sont plus attirés par la Terre mais ont également plus de mal à être mis en mouvement : l’effet de la masse grave est compensée par l’effet de la masse inerte. Ce principe est d’ailleurs un fondement de la théorie d’Einstein et de son principe d’équivalence masse-énergie (le fameux E = m⋅c²) qui nous donne, en passant, une autre définition de la masse comme étant une forme d’énergie.

Même s’il est possible d’uniformiser la notion de masse et de se passer d’un étalon pour la définir, il reste encore un problème de taille. Les scientifiques n’ont pour l’instant pas découvert l’origine de la masse : ce qui explique, par exemple, que certaines particules soient plus massives que d’autres. Nous connaissons les effets, mais pas le mécanisme. Il existe une théorie datant de 1964 qui prévoit l’existence d’une particule responsable de la masse ; cette particule a été nommée boson de Higgs et s’intègre bien dans les théories de la physique actuelle (le modèle standard). Malheureusement, ce boson n’a encore jamais été observé car les moyens expérimentaux faisaient jusqu’à présent défaut. Ce n’est plus le cas aujourd’hui, grâce au Large Hadron Collider qui devrait mettre fin au suspense…

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