La relativité restreinte nous enseigne que la masse de tous les corps augmente quand leur vitesse approche celle de la lumière. Toutefois, pour la physique relativiste, les corps possèdent une masse intrinsèque, il s'agit de leur masse au repos. Cependant une première difficulté surgit : pour la thermodynamique, le repos absolu n'existe pas. Des particules dépourvues de tout mouvement signifieraient avoir atteint la température du zéro absolu, ce qui n'est pas permis. Cette même physique relativiste fait appel au principe d'équivalence qui repose sur l'identité entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle. Si la première définit une propriété intrinsèque, alors logiquement il devrait en être de même pour la seconde. Dans ce cas, une deuxième difficulté surgit. La gravité est liée à la masse gravitationnelle. Pour qu'elle puisse se manifester, il doit y avoir une interaction entre deux corps et cela, même avec la courbure de l'espace-temps. À tel point qu'il devient difficile de concevoir la masse gravitationnelle comme une propriété intrinsèque et, par le fait même, ce problème doit concerner la masse inertielle. 

On pourrait penser que cette épineuse question pourrait trouver sa solution avec le mécanisme de Higgs, car les corps célestes que nous observons sont constitués de fermions et leur masse résulte d'une interaction avec le champ de Higgs. Le problème, c'est que le modèle standard des particules fait partie de la physique quantique alors que la gravité est décrite par la relativité générale et que jusqu'ici, ces deux grands domaines de la physique moderne sont restés inconciliables. Est-ce à dire que ce problème sera réglé par leur unification si une théorie de la gravité quantique coche toutes les cases pour être acceptée? Il faudra alors sans doute que cette fameuse théorie aille au-delà du modèle standard de la physique des particules. Il s'avère que le mécanisme de Higgs ne peut pas régler complètement ce problème de la masse même s'il se trouvait inclus dans une théorie qui unifie mécanique quantique et relativité générale. De fait, même si ce mécanisme confère sa masse aux particules élémentaires, il n'explique pas, en grande partie, celle des atomes, la masse des électrons et des quarks mise à part. Comme l'explique bien Laurent Sacco, la plus grande partie de la masse des corps célestes, nous y compris d'ailleurs, bref tout ce qui est composé d'atomes ou de noyaux d'atomes, et même les protons du rayonnement cosmique, fait intervenir un autre boson, celui de l'interaction forte, les gluons. Au passage, cet auteur prend bien soin d'expliquer pourquoi ce ne sont pas les bosons de Higgs, mais plutôt le champ de Higgs qui est responsable de la masse des particules élémentaires.

La relativité nous a appris que la masse se convertit en énergie et vice versa. La masse est une forme d'énergie et l'énergie est une forme de masse. Si la plus grande proportion de la masse des nucléons, les protons et les neutrons provient de l'énergie qui lie les quarks qui en sont leurs composantes, alors un mécanisme qui confère une masse aux particules devrait aussi pouvoir conférer une énergie à leurs composantes. Ce qui n'est pas le cas avec le champ de Higgs. On ne parle pas seulement ici d'énergie cinétique, mais aussi d'énergie propre à un type de particules, puisque, tout comme les photons, les gluons sont des particules sans masse. La masse-énergie est pourtant un paramètre de base de toute la physique. Il importe donc que ce problème puisse trouver une solution. 

Énergie, masse et mouvement relatif

Depuis 2015, la détection d'ondes gravitationnelles est possible. Ces ondes gravitationnelles, ce sont des ondulations de l'espace-temps. Elles sont produites, entre autres, lorsque survient la fusion d'étoiles à neutrons ou de trous noirs ou encore lors d'explosions de supernovas. Comme pour le rayonnement électromagnétique, il s'agit d'une forme d'énergie qui voyage à la vitesse de la lumière. Comme pour tout mouvement ondulatoire, ces ondulations possèdent une fréquence et une amplitude. Et à nouveau, comme pour le rayonnement électromagnétique, les fréquences de ces ondes gravitationnelles peuvent s’étaler sur plusieurs ordres de grandeur. Pour un même phénomène, ces fréquences peuvent être multiples de sorte qu'on puisse parler d'un spectre du rayonnement gravitationnel. Ce spectre contient les informations de la masse et de la vitesse de rotation des trous noirs et des étoiles à neutrons avant et après leur fusion. Comme ce rayonnement gravitationnel est une énergie, celle-ci doit provenir de la masse-énergie des corps célestes qui ont fusionné. Une partie de cette énergie doit correspondre à l'amplitude des ondes et une autre à leur fréquence. Or, ces ondes gravitationnelles devraient partager une autre caractéristique des mouvements ondulatoires, à savoir subir une modification de leur fréquence par effet Doppler. On l'observe dans le spectre lumineux des étoiles des galaxies lointaines. L'effet Doppler peut s'observer aussi bien par le mouvement propre de la source lumineuse que par le mouvement relatif. Si un observateur s'approche ou s'éloigne de cette source, les fréquences du rayonnement perçues seront modifiées. Le même raisonnement devrait s'appliquer pour le rayonnement gravitationnel : pour une particule, par exemple, qui s'approche à grande vitesse, la fréquence et donc l'énergie du rayonnement de cette source seront plus grandes, et, à l'inverse, elle sera plus faible pour une particule qui s'en éloigne. Il s'en suivrait que la masse de la source gravitationnelle "paraîtrait" plus grande ou plus petite selon la direction du mouvement relatif. À remarquer, avec l'équivalence masse-énergie, que nous pouvons tenir le même raisonnement avec la modification des fréquences du spectre lumineux des étoiles en fonction du mouvement relatif des autres objets dans l'univers. Toute la question ici est de savoir si cette modification traduit une variation apparente de la masse-énergie des corps célestes ou si elle ne révélerait pas plutôt une variation réelle de leur contenu énergétique en fonction du mouvement relatif des autres objets dans l'univers. On en revient dans ce cas-ci à s'interroger quant au fait de savoir si la masse est une caractéristique intrinsèque des corps ou non. Il faut avouer que cette question est loin d'être résolue.