La lumière occupe-t-elle de l'espace ? A-t-elle un volume ?

[ScanxTaz]

Salut !

Dites, j'ai une question un peu idiote peut être, mais je me la pose depuis un moment maintenant...
Elle m'est venue après que ma fille m'ait demandé si le soleil avait une ombre... Alors, comment j'en suis arrivé à cette question, là.... Je ne sais plus

La question est : La lumière occupe-t-elle de l'espace ? A-t-elle un volume ?

J'y pense pour deux raisons principales :

1. Un moment après le big-bang, pour une raison que l'on ne s'explique pas (sauf si je me trompe et corrigez moi donc ), l'expansion s'est arrêtée pendant un moment avant de reprendre subitement. Cette "arrêt" explique la distribution de matière dans l'espace. On sait aussi que l'espace a été plongé dans le noir après le big bang, pendant plusieurs milliers d'année, avant que la première réaction nucléaire réemette de la lumière en créant des étoiles...

2. L'expansion accélère encore et toujours...Si la lumière occupait de l'espace, que les photons prenait une place, même minuscule, à chaque fois qu'il y aurait un photon d'émis ? On pourrait comparet cela à un ballon de baudruche qui augmenterait en le remplissant d'eau, l'espace grandirait, et ceci, partout où est émis de la lumière... Donc, l'expansion serait homogène, et partout pareil, expliquant qu'il n'y a pas de centre à l'expansion...

On dit que l'espace est "plein de lumières", mais aussi que l'espace est "plein de matière noire"... Et si c'était la même chose finalement ?

Bon, c'est peut être une question débile, mais j'avoue que j'aimerai en parler avec vous

Je suis un néophyte dans ce sujet, mais je trouvais l'idée intéressante ... Pas vous ?
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[Gilgamesh]

Bonjour et bienvenu sur le forum,


Je signale en vert, à titre préliminaire, que les forums de Futura ne sont pas destiné à l'exposition de théories personnelles. Donc j'y répond pour cette fois, mais prenez le en compte à l'avenir.

1. Un moment après le big-bang, pour une raison que l'on ne s'explique pas (sauf si je me trompe et corrigez moi donc ), l'expansion s'est arrêtée pendant un moment avant de reprendre subitement. Cette "arrêt" explique la distribution de matière dans l'espace.

Mmmmh, non, pas du tout. Où est ce que vous avez pu lire ça ?

On sait aussi que l'espace a été plongé dans le noir après le big bang, pendant plusieurs milliers d'année, avant que la première réaction nucléaire réemette de la lumière en créant des étoiles...

Non, durant l'âge sombre, l'univers reste baigné de photons, mais ceux-ci ont de moins en moins d'énergie.

2. L'expansion accélère encore et toujours...Si la lumière occupait de l'espace, que les photons prenait une place, même minuscule, à chaque fois qu'il y aurait un photon d'émis ? On pourrait comparet cela à un ballon de baudruche qui augmenterait en le remplissant d'eau, l'espace grandirait, et ceci, partout où est émis de la lumière... Donc, l'expansion serait homogène, et partout pareil, expliquant qu'il n'y a pas de centre à l'expansion...

Oubliez complètement cette idée. Cela signifierait incidemment que quand on introduit un objet dans une pièce vide, les parois reçoivent une poussée. On n'observe bien sûr rien de tel. Fondamentalement, la dichotomie entre "plein" et "vide" n'a plus aucune pertinence aujourd'hui. L'espace n'est pas une substance qu'on peut repousser comme un fluide. En outre, on assigne une taille nulle aux particules élémentaires, dont le photons, et la façon dont elles occupent l'espace se représente sous la forme d'un champs. Enfin, le nombre de photon dans l'univers a très peu varié depuis le moment du découplage, càd à l'émission du rayonnement de fond cosmologique, 380 000 ans après le début de l'expansion. Moins de un millième des photons proviennent des étoiles. Pendant ce temps, l'univers a cru en volume d'un facteur supérieur à un milliard...

[Zefram Cochrane]

Salut !



La question est : La lumière occupe-t-elle de l'espace ? A-t-elle un volume ?

Bonjour, je vais répondre seulement à cette question. A mon humble avis, en tant que particule élémentaire un photon n'a pas de volume; sous réserve que l'électron qui est une particule élémentaire lui aussi n'en aie pas un non plus.

(ce dont je suis sûr est que le photon n'a pas d'énergie propre, il ne perd pas d'énergie du fait de l'expansion, ).

[phys4]

Bonjour, je vais répondre seulement à cette question. A mon humble avis, en tant que particule élémentaire un photon n'a pas de volume; sous réserve que l'électron qui est une particule élémentaire lui aussi n'en aie pas un non plus.

Bonjour,
Si nous considérons un gaz de photons dans une boite à une fréquence donnée, donc énergie connue. Si nous agrandissons cette boite en écartant les parois, les photons vont céder de l'énergie aux parois qui s'éloignent et leur fréquence diminuera.
Ils exercent une pression et peuvent échanger de l'énergie avec la boite.
Si la boite est l'univers cela fonctionne aussi : les photons originaux ont perdu une facteur 1000 en température et en énergie.
Pour des électrons, il en est presque de même, sauf qu'il s'agit de fermions, et si l'on réduit la boite il y aura une limite à cause du principe d'indétermination et de Pauli : plus ils seront tassés plus ils auront d'énergie, et le volume occupé sera proportionnel au nombre d'électrons: c'est comme si l'on pouvait leur affecter un volume minimum.
Pour les photons, le nombre ne compte pas, car ils peuvent occuper le même état, nous ne pouvons pas leur affecter un volume.

[A voir en vidéo sur Futura]

[stefjm]

(ce dont je suis sûr est que le photon n'a pas d'énergie propre, il ne perd pas d'énergie du fait de l'expansion, ).

C'est quoi l'énergie combinée à l'expansion?

[Gilgamesh]

(ce dont je suis sûr est que le photon n'a pas d'énergie propre, il ne perd pas d'énergie du fait de l'expansion, ).

Ben doublement si...

L'énergie propre d'un photon c'est E=pc. Et ce terme est vulnérable à l'expansion, comme mentionné par phys4.

[Zefram Cochrane]

Salut Phys

Pour des électrons, il en est presque de même, sauf qu'il s'agit de fermions, et si l'on réduit la boite il y aura une limite à cause du principe d'indétermination et de Pauli : plus ils seront tassés plus ils auront d'énergie, et le volume occupé sera proportionnel au nombre d'électrons: c'est comme si l'on pouvait leur affecter un volume minimum.
Pour les photons, le nombre ne compte pas, car ils peuvent occuper le même état, nous ne pouvons pas leur affecter un volume.

merci pour cette précision

Bonjour Gilgamesh

Bonjour,
Si nous considérons un gaz de photons dans une boite à une fréquence donnée, donc énergie connue. Si nous agrandissons cette boite en écartant les parois, les photons vont céder de l'énergie aux parois qui s'éloignent et leur fréquence diminuera.
Ils exercent une pression et peuvent échanger de l'énergie avec la boite.
Si la boite est l'univers cela fonctionne aussi : les photons originaux ont perdu une facteur 1000 en température et en énergie.

Les photons "réfléchis" par les parois d'une boite ne sont pas les mêmes que les photons incidents; ce sont des nouveaux photons, même si théoriquement il y a n photons en permanence dans la boite , la baisse d'énergie des n photons après chaque "réflexion" est une illusion.

l'équation permettant d'aboutir à E=cP est E²-c²P²=Eo² ou Eo est l'énergie propre d'une particule est qui est nulle pour le photon.

[invite06459106]

Petite question en passant, est-il "légitime" de parler d'énergie propre pour un photon?
La seule contribution à son énergie est cinétique, donc relative (= P*C).
Comme c'est une grandeur cinématique, je trouve "bizarre" de lui coller l'adjectif "propre", qui sous entend que cette quantité ne dépend pas de l'observateur, comme si c'était une grandeur dynamique.

[Gilgamesh]

Tu as raison. Mais dans le cadre cosmologique, on va le plus souvent se placer dans le référentiel privilégié comobile.

[Zefram Cochrane]

comment décrit on le référentiel privilégié comobile?

[Gilgamesh]

comment décrit on le référentiel privilégié comobile?

C'est le référentiel d'un observateur sans mouvement propre, c-à-d dont les coordonnées comobiles ne varient pas durant l'expansion. D'un point de vue strictement observationnel, c'est le référentiel d'un observateur qui mesure un CMB à la même température dans toutes les directions (pas d'anisotropie dipolaire).

[Zefram Cochrane]

Bonsoir,
Imaginons que nous nous trouvions dans une station spatiale au milieu de nulle part et dont la position nous permettent de mesurer un CMB à la même température.
Cette température à Tr° à Tr n'est elle par inversement proportionnelle à la surface de la sphère du CMB ie ne puis-je pas écrire que Tr°*S°r =Te°*Se° ?avec Se° la surface de la sphère du CMB à l'émission (sphère de rayon = 380 000a.l) et Te=3000°K et Ta°=3°K . J'obtiens Sr° 12 000 000 000a.l environ.

[Mailou75]

Bonjour, je vais répondre seulement à cette question. A mon humble avis, en tant que particule élémentaire un photon n'a pas de volume

Sous entendu qu'en tant qu'onde il en a un ?
(Tant qu'il n'est pas capté pour rendre sa trajectoire lineaire, un photon est sans doute une onde sphérique..)

[Deedee81]

Salut,

Il faut d'abord définir ce que signifie "avoir un volume" pour une particule quantique. Il y a plusieurs définitions possibles (selon l'usage pratique (*)) et la question initiale a pour réponse oui ou non selon la définition.

Et à celui qui dirait "il faut bien qu'il y ait UNE réponse, c'est logique". Je répondrais "réponse à quoi ?" étant donné qu'en MQ cette notion est ambigüe. A y regarder de plus près on pourrait définir (dénomination personnelle et arbitraire) un volume efficace (c.f. sections efficace), un volume électrostatique (rayon électronique), un volume ondulatoire, un volume interaction (ponctuel en QED, non ponctuel en théorie des cordes mais le volume reste 0).
Donc si on dit (par exemple) : quel est le volume électrostatique, le volume interaction, la réponse est zéro pour le photon. Et les autres non nuls. Plusieurs notions, plusieurs réponses, c'est logique.

(*) EDIT selon les besoins expérimentaux, par exemple

[Gilgamesh]

Bonsoir,
Imaginons que nous nous trouvions dans une station spatiale au milieu de nulle part et dont la position nous permettent de mesurer un CMB à la même température.
Cette température à Tr° à Tr n'est elle par inversement proportionnelle à la surface de la sphère du CMB ie ne puis-je pas écrire que Tr°*S°r =Te°*Se° ?avec Se° la surface de la sphère du CMB à l'émission (sphère de rayon = 380 000a.l) et Te=3000°K et Ta°=3°K . J'obtiens Sr° 12 000 000 000a.l environ.

* On écrit K et non °K


Je ne comprend pas ce que tu cherches...


Pourquoi vouloir établir une relation en Tr et une surface ? Incidemment, si S est une surface elle se mesure en a.l.²

Tu as simplement T ~ 1/a avec T la température du rayonnement et a le facteur d'échelle.

[Zefram Cochrane]

Sous entendu qu'en tant qu'onde il en a un ?
(Tant qu'il n'est pas capté pour rendre sa trajectoire lineaire, un photon est sans doute une onde sphérique..)

Salut,
Si tu as une radio, règles la sur la fréquence 9KHz.


https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_radio
Crois-tu que tu te prennes des photons de 33km de diamètre?

[Zefram Cochrane]

Salut,
C'est pas la surface qui mesure 12G.a.l mais le rayon de la sphère.
Je voulais savoir comment on en était arrivé à la conclusion qu'il y avait un nombre N finis de photons émis lors du CMB. Parce que si le volume de la sphère d'emission augmente du fait de l'expansion, on devrait avoir pleins de trous, non?

[Gilgamesh]

Salut,
C'est pas la surface qui mesure 12G.a.l mais le rayon de la sphère.
Je voulais savoir comment on en était arrivé à la conclusion qu'il y avait un nombre N finis de photons émis lors du CMB. Parce que si le volume de la sphère d'emission augmente du fait de l'expansion, on devrait avoir pleins de trous, non?

On observe une coquille sphérique, d'épaisseur correspondant à la profondeur optique lors de la dernière diffusion. A l'époque du CMB, le libre parcours moyen est pas négligeable, de l'ordre de 1000 années-lumière, et la profondeur optique est de l'ordre de 120 000 années-lumière.

Y'a pas de trous dans cette surface simplement tu sais que la taille angulaire d'un objet de taille donnée connue (ce qu'on appelle une règle standard) apparaît plus grand à haut redshift qu'à moyen redshift (z < 1,65 environ).

Voir ci-dessous, une exemple avec la taille angulaire d'une galaxie de taille 30 000 années-lumière en fonction du redshift.

[Zefram Cochrane]

Comme tu le sais, j'ai un niveau correct en RR mais en cosmologie... Pourrais tu m'en dire plus (même par MP) sur le libre parcours moyen et sur la profondeur de champ STP?

J'ai une autre question pourquoi la DA diminue à faible redschift ?
Je devine que le minimum correspond au facteur soit qui est de ce fait un cas particulier de vitesse de la RR.
en RR le diamètre apparent d'une galaxie de 30 000a.l de diamètre propre est toujours supérieure à 30 000a.l.
(ex pour V=0.6c prendre les 2 permiers points à gauche.)

Si la distance des deux premiers points oranges situés de part et d'autre par rapport à la voie mesurent 30 000a.m on voit que cette distance forme la base d'un triangle isocèle formé par ses point et l'observateur Violet et que cette base est moins grande que le diamètre apparent de ces points reportés sur l'ellipse verte du schéma.

[Gilgamesh]

Comme tu le sais, j'ai un niveau correct en RR mais en cosmologie... Pourrais tu m'en dire plus (même par MP) sur le libre parcours moyen et sur la profondeur de champ STP?

C'est pas très important pour notre propos, mais c'est plutôt simple à calculer : tu prends la densité baryonique actuelle (0.3 proton.m^-3) et tu multiplies par le facteur dont à cru le volume, soit le cube du facteur d'échelle entre l'émission du CMB et aujourd'hui, soit 1100³. La densité baryonique à l'émission du CMB était de l'ordre de n=3,4.10⁸ proton.m^-3. En gros y'a autant de protons que d'électrons, et ce sont les électrons libres qui opacifient l'univers. Le libre parcours moyen l d'un photon dans un plasma est l'inverse du produit de sa densité par la section efficace d'interaction pour la diffusion de Thomson du photon sur l'électron σ = 0,66 barn

Soit :

l = 1/(nσ)

ce qui donne 4400 années-lumière. On y est, à une vache près.

la suite plus tard

[Mailou75]

Salut,

J'ai une autre question pourquoi la DA diminue à faible redschift ?

La Da présente une asymptote à z~1,65 c'est a dire qu'aucun objet ne peut "apparement" etre plus loins que ~5,5Gal. La Da est la distance à l'emission parce que si tu prends un objet assez grand, ses extremintés avaient une certaine position lorsque les photons sont partis, puis ils sont allés en ligne droite, l'angle au depart est donc aussi l'angle d'arrivée. Le fait que l'objet ne soit plus du tout a cet endroit ne change rien. Le fait que l'espace s'etende ou pas ne change rien car il etendrait radialement les deux trajectoires. L'asymptote à 5,5Gal nous dit donc que tous le objets qui sont devant etaient plus pres lorsqu'ils ont emis la lumiere qu'on capte aujourd'hui et que tous ceux qui sont derriere etaient eux aussi plus pres lorsqu'ils ont émis leur lumiere. En gros on voit des objets qui sont de plus en plus petits plus ils sont loins (comme d'ordinaire) puis à partir d'un certain z, au lieu de diminuer avec la distance les objets seront de plus en plus gros. Ex : le CMB a emis sa lumiere à 42 millions d'Al, si on y discernait un objet il serait vu comme s'il etait à cette distance, c'est a dire sous nos yeux par rapport à sa distance comobile 46Gal (soit 46.000.000.000 / 52.000.000~1100, comme en RR pour le coup). Ce graph montre bien que pour tous les objets lointains le photon recule relativement à l'observateur avant de revenir et on lit aussi l'asymptote de Da : http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post5637518 (NB selon Gilga le haut du dessin est faux, et je pense qu'il a raison car Da est bien la distance vue en mètre triangulable, ça va poser plein d'autres problèmes, on pourra en reparler...)

....

Voir ci-dessous, un exemple avec la taille angulaire d'une galaxie de taille 30 000 années-lumière en fonction du redshift.

A t on vraiment des mesures de taille angulaire au delà de z~1.65 pour valider le principe ou est ce l'application de la theorie z --> Da qui donne cette courbe ? (Je ne parle pas d'autres moyens de validation mais vraiment de mesures de Da, jusqu'où sommes nous "precis"?)

Merci

[Gilgamesh]

Si la distance des deux premiers points oranges situés de part et d'autre par rapport à la voie mesurent 30 000a.m on voit que cette distance forme la base d'un triangle isocèle formé par ses point et l'observateur Violet et que cette base est moins grande que le diamètre apparent de ces points reportés sur l'ellipse verte du schéma.

Non, ça n'a rien à voir avec cette construction.

edit : le principe est beaucoup plus simple. Angulairement, dans un espace euclidien, l'objet dont la lumière a voyagé dans un espace en expansion apparaîtra à l'observateur avec la taille angulaire correspondant à la distance physique qui le séparait de l'observateur à l'émission.

Pour le calcul de la courbe, tu peux regarder sur cette page :
https://ned.ipac.caltech.edu/level5/.../Sahni4_5.html

[Gilgamesh]

A t on vraiment des mesures de taille angulaire au delà de z~1.65 pour valider le principe ou est ce l'application de la theorie z --> Da qui donne cette courbe ? (Je ne parle pas d'autres moyens de validation mais vraiment de mesures de Da, jusqu'où sommes nous "precis"?)

Oui, tu as des travaux dans ce sens. Chercher avec les mots clés : angular size — redshift (θ − z) relation study. Ce test a été suggéré notamment par (Hoyle, 1938) pour discriminer le modèle du Big Bang du modèle d'univers stationnaire. Il y a eu des travaux pionniers sur le diamètre isophote (=le contour d'égale luminosité d'une image) des galaxies par (Sandage 1961).

Récemment il y a eu des travaux sur le diamètre des sources radio compactes (en utilisant je pense l'interférométrie longue base) par exemple celui-ci pour 0.01 < z < 4.73.

The "angular size - redshift" relation for compact radio structures in quasars and radio galaxies

Median angular size versus redshift. The full length of error bars here and in other figures corresponds to
1σ. The solid lines correspond to the linear size parameter lh = 9.6 pc, the Steady-state model (SS) and models of a
homogeneous, isotropic Universe with Λ = 0 and values of q◦ = 1.0, 0.5, 0.2, 0.1 (as marked on the plot). Data are
binned into 18 bins nearly equally populated (18–19 sources per bin).

[invite54165721]

Le libre parcours moyen l d'un photon dans un plasma est l'inverse du produit de sa densité par la section efficace d'interaction pour la diffusion de Thomson du photon sur l'électron σ = 0,66 barn

Soit :

l = 1/(nσ)

Merci pour la formule.

[Mailou75]

Salut,

Si la distance des deux premiers points oranges situés de part et d'autre par rapport à la voie mesurent 30 000a.m on voit que cette distance forme la base d'un triangle isocèle formé par ses point et l'observateur Violet et que cette base est moins grande que le diamètre apparent de ces points reportés sur l'ellipse verte du schéma.

Non, ça n'a rien à voir avec cette construction.

edit : le principe est beaucoup plus simple. Angulairement, dans un espace euclidien, l'objet dont la lumière a voyagé dans un espace en expansion apparaîtra à l'observateur avec la taille angulaire correspondant à la distance physique qui le séparait de l'observateur à l'émission.

Ca n'a pas "rien a voir", dans les deux cas (RR et cosmo) Da est bien synonyme de taille angulaire à l'emission et le fait qu'il y ait expansion ou pas ne change rien à ce principe. Dans le dessin de Zef on retrouve bien la distance angulaire (points verts) et la distance "comobile" (points oranges = objets au meme age que l'observateur) ainsi que le rapport Dc=Da (z+1). Et si on prend la partie gauche proche de la direction du mouvement (cad ce qui s'éloigne radialement et qu'on l'applique à une coque dont tous les points s'éloigneraient radialement de l'observateur on trouverait aussi, comme en cosmo, la distance de luminosité Dl=Dc(z+1)=Da(z+1)^2.

....

L'autre reponse va me prendre plus de temps

[Gilgamesh]

Ca n'a pas "rien a voir", dans les deux cas (RR et cosmo) Da est bien synonyme de taille angulaire à l'emission et le fait qu'il y ait expansion ou pas ne change rien à ce principe

Le modèle d'expansion change la relation entre la taille angulaire et le redshift, comme tu peux le voir sur le graphique. C'est pour ça que ça a été conçu comme un test possible pour départager le modèle stationnaire (SS) des modèle de Big Bang.

Pour le reste je ne comprend pas le graphique même avec tes explication et je ne vois pas l'utilité de m'acharner là-dessus.

[curieuxdetempsaautre]

le soleil pouvait avoir une ombre si il est eclaire par un autre astre beaucoup plus massif et lumineux et si il ya derrière un support, gaz galactique ou autre pour recevoir l'ombre

[Gilgamesh]

Oui, ça s'appelle une binaire à éclipse, mais pas besoin au juste que l'astre derrière soit plus lumineux.

[Mailou75]

Le modèle d'expansion change la relation entre la taille angulaire et le redshift, comme tu peux le voir sur le graphique.

Si peu... (voir colonne verte Da de ce tableau http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post5713726). En tout cas negligeable jusqu'à z~1,65, et au delà je cherche à connaitre la fiabilité des mesures, d'où la question à laquelle je n'ai pas encore repondu...

C'est pour ça que ça a été conçu comme un test possible pour départager le modèle stationnaire (SS) des modèle de Big Bang.

Le modèle RR, s'il en est, n'est pas stationnaire. Il "grossit" au cours du temps.

Pour le reste je ne comprend pas le graphique même avec tes explication et je ne vois pas l'utilité de m'acharner là-dessus.

Juste de l'aberration. J'y vois surtout une rigueur qui n'est pas entachée d'approximations et d'axiomes multiples.

[Gilgamesh]

Si peu... (voir colonne verte Da de ce tableau http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post5713726). En tout cas negligeable jusqu'à z~1,65, et au delà je cherche à connaitre la fiabilité des mesures, d'où la question à laquelle je n'ai pas encore repondu...

Le modèle RR, s'il en est, n'est pas stationnaire. Il "grossit" au cours du temps.

Juste de l'aberration. J'y vois surtout une rigueur qui n'est pas entachée d'approximations et d'axiomes multiples.

Je parle du modèle d'univers stationnaire proposé dans les années 40 par Hoyle et al et qui est basé sur la relativité générale. Il n'y a pas de modèle d'expansion basé sur la relativité restreinte.