En physique, la masse est une grandeur physique positive intrinsèque d'un corps, qui mesure sa résistance à l'accélération. L'unité de masse dans le Système international d'unités (SI) est le kilogramme (kg).
On pensait traditionnellement qu'elle était liée à la quantité de matière contenue dans un corps physique, jusqu'à l'apparition de la théorie électromagnétiqueLe Cours de Physique de Feynman, Électromagnétisme 2, Chap. 28 : La masse électromagnétique à la fin du XIXe siècle (voir la masse électromagnétique), puis à l'avènement de la relativité restreinte en 1905. Il a été constaté expérimentalement que différents atomes et différentes particules élémentaires, ayant théoriquement la même quantité de matière, ont néanmoins des masses différentes, conformément aux prédictions de la relativité restreinte. Depuis 1905, la masse peut également être perçue comme une mesure du contenu en énergie d'un corps (voir E=mc²).
En physique newtonienne, c'est une grandeur extensive, c'est-à-dire que la masse d'un corps formé de parties est la somme des masses (ou de l'énergie) de ces parties. Elle est conservative, c'est-à-dire qu'elle reste constante pour un système isolé n'échangeant pas de matière avec son environnement.
Dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, la masse des particules élémentaires (quarks, leptons…) résulte de leur interaction avec le champ de Higgs, mais l'essentiel de la masse mesurée d'un corps macroscopique provient en fait de l'énergie d'interaction entre les quarks, de par l'équivalence entre la masse et l'énergie. Le boson de Higgs n'est responsable que de 1 % de la masse d'un corps.
La masse se manifeste à travers deux propriétés fondamentales : en mécanique statique, c'est tout d'abord et historiquement une grandeur immédiatement accessible à la mesure, à travers la pesée, qui permet de comparer la masse d'une certaine quantité de matière à une masse étalon. C'est ce que l'on appelle la « masse pesante » ; en mécanique dynamique, cette grandeur intervient directement dans le principe fondamental de la dynamique, comme exprimant la « résistance de la matière au changement de vitesse » : plus la masse du corps est importante, plus la force pour changer la direction ou la grandeur de sa vitesse doit être importante. C'est ce que l'on appelle la « masse inerte » ; on constate une proportionnalité stricte entre masse inerte et masse pesante, indépendamment de la nature du matériau, ce qui permet de prendre la même unité pour les deux (et donc de les déclarer égales). Cette équivalence des deux notions a été érigée en un principe d'équivalence.
Les termes masse et poids sont interchangeables dans la langue courante, mais en physique le poids est une grandeur différente (vectorielle et s'exprimant dans d'autres unités) : le poids d'un objet est la force de gravitation exercée sur cet objet par la Terre (ou, plus généralement, un corps céleste).
Grandeur physique
Masse grave et masse inerte
La masse d'un corps physique renvoie à deux natures phénoménologiques distinctes.
La masse grave (du latin gravis, lourd) est une propriété de la matière qui se manifeste par l'attraction universelle des corps, et au quotidien, par leur poids. Concrètement, en présence d'un même champ de gravité extérieur (celui de la Terre par exemple), la masse de subira une force (le poids) deux fois plus élevée que la masse de ; par ailleurs, une masse de crée autour d'elle un champ de gravité deux fois plus intense qu'une masse de . La masse grave (gravifique, gravitationnelle) d'un corps est définie par Isaac Newton comme une mesure de la quantité de matière de ce corps, c'est la grandeur physique intervenant dans le calcul de la force de gravitation créée ou subie par un corps : c'est ainsi qu'il l'a introduite dans la loi universelle de la gravitation, et qu'elle a été utilisée jusqu'à la relativité générale. La force de gravitation est donc proportionnelle à la quantité de matière. En physique classique, la masse grave est aussi supposée extensive.
La masse inerte est une propriété de la matière qui se manifeste par l'inertie des corps. Concrètement, une masse de résiste deux fois plus à l'accélération qu'une masse de . La masse inerte (inertielle) d'un corps est la grandeur physique utilisée pour calculer la force nécessaire pour qu'un corps acquière une accélération, en fonction de celle-ci. C'est la quantification de la résistance du corps aux accélérations. Mathématiquement, cela s'exprime par l'égalité , où est l'accélération acquise et est la force nécessaire à l'obtention de cette accélération. Isaac Newton a défini la masse inerte comme une autre mesure de la quantité de matière, et a considéré que pour imprimer à une quantité de matière doublée une même accélération, il fallait le double de force. En physique classique, la masse inerte est ainsi supposée extensive : en mêlant deux corps, on obtient un troisième corps dont la masse est la somme des masses des deux corps initiaux.
Il n'y a a priori aucune raison fondamentale imposant que masse inerte et masse grave soient identiques ; ce n'est qu'un constat empirique. À part le fait d'être toutes les deux proportionnelles à la quantité de matière (proportionnalité approximative, comme cela a été montré à partir du début du ), la masse grave et la masse inerte semblent a priori n'avoir aucun lien entre elles, et constituer deux propriétés de la matière tout à fait indépendantes l'une de l'autre. Mais inversement, et bien que les deux soient conceptuellement distinctes, aucune expérience n'a jamais pu mettre en évidence une quelconque différence entre les deux. La relativité générale donne une raison fondamentale de l'égalité des deux types de masse (principe d'équivalence d'Einstein).
Mesure
Le moyen le plus commun de mesurer une masse est de la comparer à d'autres à l'aide d'une balance. En fait une balance compare des poids, le poids étant le produit de la masse par l'accélération de la pesanteur, dans un contexte où cette accélération peut être considérée comme constante. La mesure des masses se faisant usuellement au sein d'un fluide (l'air), en toute rigueur il faut aussi tenir compte de la poussée d'Archimède, qui est proportionnelle au volume et n'est donc pas la même pour deux corps de même masse mais de densités différentes. La correction est prise en compte pour les mesures très précises.
Avec l'émergence de la mécanique céleste au , il est devenu courant de mesurer les masses relatives des corps célestes. La masse n'est plus alors directement mesurée, mais calculée, à travers l'effet qu'elle exerce sur la trajectoire des autres corps. Cette masse, qui est statiquement à l'origine de la force de gravitation, est toujours une « masse pesante ». On peut de même estimer une masse par la perturbation du champ de gravité qu'elle induit. Cette mesure par gravimétrie n'est utilisable que pour les objets extrêmement lourds, et est utilisée en géologie pour estimer la taille d'une formation rocheuse, ainsi qu'en archéologie.
Mais par ailleurs, la cinématique a permis d'étudier les transferts de quantité de mouvement dus à des forces et se traduisant par des variations de vitesse. De même, avec la physique des particules du , la masse d'une particule chargée est calculée à partir de l'accélération qu'elle subit dans un champ électrique, ou de la courbure de sa trajectoire dans un champ magnétique. Cette masse qui apparaît en cinématique traduit la résistance de la matière à des changements de vitesse, et est la « masse inerte ». Il s'agit toujours d'une masse calculée à travers d'autres grandeurs physiques mesurées.
Au quotidien, la masse inerte en tant que « résistance de la matière aux variations de mouvement » se perçoit facilement à travers l'effet de forces continues, lorsque par exemple on souffle avec une paille sur une balle de tennis (de l'ordre de ) et sur une boule de pétanque (de l'ordre de ) : la force exercée dans les deux cas est sensiblement la même, mais il est beaucoup plus difficile de mettre en mouvement la boule de pétanque, car sa masse est beaucoup plus importante. De même, cette résistance se perçoit facilement à travers l'effet des chocs : un footballeur tapant dans un ballon de football (de l'ordre de ) lui donne facilement une impulsion qui le fait partir à grande vitesse, sans que la quantité de mouvement de sa jambe n'ait sensiblement varié ; le même exercice sur un boulet de canon de même taille (dont la masse est d'une soixantaine de kilogrammes) n'ébranlera guère le boulet, mais arrêtera net la jambe (et très probablement, fracassera le pied).
Caractéristiques classiques
La mécanique classique a dégagé un certain nombre de propriétés de la masse : Additivité : la masse d'un corps est la somme des masses de ses parties ; Mesure invariante : la masse d'un corps ne dépend pas du référentiel à travers lequel le corps est considéré ; Inertie : la masse se manifeste par la résistance qu'un corps offre à toute force provoquant une variation, en grandeur ou en direction, de sa vitesse. L'accélération subie a lieu dans la direction de cette force extérieure, et est inversement proportionnelle à la masse ; Pesanteur : deux corps massifs s'attirent en proportion de chacune de leur masse, suivant une force dirigée l'un vers l'autre le long de la ligne joignant leur centre de gravité, et en proportion inverse du carré de la distance qui les sépare. En particulier, l'attraction exercée par la Terre sur un corps est son poids ; Conservation : la masse d'un corps est conservée à travers tous les processus physiques ou chimiques auquel il est soumis. Toutefois, la physique moderne montre que ces propriétés ne sont vérifiées que dans les conditions de l'expérience courante ; mais peuvent ne plus l'être en physique quantique ou en mécanique relativiste.
La masse est à la racine de deux grandeurs conservatoires fondamentales en mécanique : la quantité de mouvement, grandeur vectorielle multipliant la masse par le vecteur vitesse ; l'énergie cinétique, grandeur scalaire proportionnelle à la masse et au carré de sa vitesse. Ces deux lois de conservation sont fondamentales tant en physique newtonienne qu'en physique moderne. Sur cette base, il est possible de proposer une nouvelle définition de la masse, qui permet de rendre compte des cinq propriétés ci-dessus sans en présupposer aucune ; en particulier sans avoir à recourir à la notion de force, critiquée au par des physiciens comme Ernst Mach, Gustav Kirchhoff, Heinrich Hertz parmi d'autres.
Unité de masse
Chaque culture a eu ses unités de masse, et des unités différentes étaient souvent utilisées pour des produits différents. Dans les anciennes unités de mesure françaises on peut relever les poids de marc, dont le quintal reste d'usage courant. Les unités de mesure anglo-saxonnes sont beaucoup plus variées, et la livre y reste d'usage courant. Il faut se rappeler que la livre, en France, n'avait pas la même valeur sur tout le territoire : la provençale, la parisienne ou encore la bretonne n'avaient pas tout à fait la même valeur et aujourd'hui encore, la livre tout comme le gallon n'ont pas la même valeur aux États-Unis et au Royaume-Uni. Beaucoup de marchandises se vendaient au volume, par boisseaux ou encore par barils, soit () — différent du baril pétrolier qui ne fait que .
L'unité SI de masse est le kilogramme (kg) et non pas« Unité de masse (kilogramme) », sur le site du BIPM, bipm.org (consulté le ). le gramme (g). On utilise également la tonne (t), égale à .
Dans l'Union européenne, de nombreuses masses (et volumes) sur les produits de consommation sont indiquées en quantité estimée. Ils sont marqués comme tels, du symbole « ℮ » (U+202E), semblable à un e minuscule stylé.