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Si la relativité générale est essentielle pour le bon fonctionnement de nos GPSGPS, la théorie de la relativité restreinte serait, elle, à l'origine de l'efficacité de la batterie au plomb inventée par le physicienphysicien français Gaston Planté en 1859. C'est la conclusion surprenante à laquelle sont arrivés Rajeev Ahuja, Andreas Blomqvist et Peter Larsson de l'Université d'Uppsala (Suède), en collaboration avec Pekka Pyykkö et Patryk Zaleski-Ejgierd de l'Université d'Helsinki (Finlande).
La théorie d'EinsteinEinstein ne devient pourtant nécessaire que pour des objets se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, alors comment peut-elle avoir des implications dans le fonctionnement de ces objets bien ordinaires que sont les éléments de batterie au plomb/acideacide que l'on met en série ?
La chimie est quantique
Pour le comprendre, il faut d'abord se souvenir que l'existence même des atomesatomes, des moléculesmolécules et des réactions chimiquesréactions chimiques repose sur les lois de la mécanique quantiquemécanique quantique et l'équationéquation de la mécanique ondulatoiremécanique ondulatoire découverte par Schrödinger. Toute la chimiechimie, de la liaison entre les atomes d'hydrogènehydrogène et d'oxygèneoxygène dans une molécule d'eau jusqu'à celle intervenant dans la molécule d'ADN, est en réalité un secteur particulier de la physique quantiquephysique quantique.
C'est ainsi que l'on peut, en théorie du moins, calculer la quantité de chaleurchaleur et la quantité d'électricité libérées par les réactions chimiques, ainsi que la différence de potentiel aux bornes d'un élément de batterie électrochimique, à partir de l'équation de Schrödingeréquation de Schrödinger.
En pratique, il faut souvent des ordinateursordinateurs, vite dépassés par des situations un peu complexes ou par la nature même de la physique quantique. C'est d'ailleurs pour cela que Richard FeynmanRichard Feynman a été l'un des pionniers de la notion d'ordinateur quantique, particulièrement adaptés à ce genre de calculs.
Des électrons relativistes
Toutefois, les électronsélectrons dans les atomes et les molécules se déplacent à des vitesses non négligeables par rapport à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière. L'équation d'onde des électrons découverte par Schrödinger ne tenait pas compte des effets relativistes apparaissant alors. Ou plus exactement, il fallait rajouter à la main des termes plus ou moins ad hoc pour introduire des corrections relativistes intervenant dans les calculs des niveaux d'énergiesénergies de ces électrons.
Ces corrections relativistes découlent en réalité de l'équation d'onde relativiste pour un électron, découverte par Paul DiracPaul Dirac. Cette même équation qui lui a fait prédire la découverte de l'antimatièreantimatière et qui gouverne les positronspositrons générés à l'occasion des flashs gamma terrestres.
Les physiciens suédois ont comparé la valeur de la différence de potentiel aux bornes de chacun des six éléments d'une batterie au plomb, selon que l'on fasse ou non intervenir la théorie de la relativité d'Einstein dans les calculs quantiques.
Surprise ! De 80 à 85 % des 2,1 voltsvolts aux bornes de ces éléments trouvent précisément leur origine dans l'existence des corrections relativistes !
Si cette découverte n'a à priori pas d'implications pour construire des batteries plus performantes, par exemple pour des voitures hybrides, elle est intéressante en cette Année internationale de la chimie (AIC).
