Photon et Espace-Temps

[glevesque]

Commant pouvons-nous imaginer le déplacement d'un photon dans l'espace-temps.

Je m'explique : Les photons qui véhicules les interractions électromagnétique, sont détectable qu'a partir de leur interraction avec des parcticules ou d'autres photons. Parcontre pendant leurs trajet dans l'espace ils semblent ne laisser aucune trace de leurs passage, comme s'il n'existait pas en réalité dans Univers. Voici commant je vois la chose. Nous remplissons un vers d'eau qui représente le tissus Espace-Temps de l'Univers, nous lui ajouton des glacons pour représenter les particules de matière. Les glacons interragissent entre eux et nous voyons des bulles d'aire s'échapper, qui pour moi représente les photons. Bien sur cette représentation de l'esprit ne tiens aucunement contre des véritables réactions électromagnétique. Mais peut-il s'agir d'une bonne représentation de l'espace-temps versus mouvement des photons. Ici je spécule encore.

Commant se représenter le déplacement d'un photon d'énergie dans le tissus Espace-Temps. Merci à vous

A++
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[invite8c514936]

Les photons qui véhicules les interractions électromagnétique, sont détectable qu'a partir de leur interraction avec des parcticules ou d'autres photons. Parcontre pendant leurs trajet dans l'espace ils semblent ne laisser aucune trace de leurs passage, comme s'il n'existait pas en réalité dans Univers.

je ne comprends pas le problème. C'est vrai d'absolument tout, rien ne "laisse des traces" sur son passage. Quand un proton va du point A au point B dans le vide, rien ne reste aux endroits où il est passé pour dire qu'il était là. Remplace "proton" par ce que tu veux, "particule massive", "photon", "vaisseau Enterprise"... Pourquoi cela te choque-t-il plus à propos des photons ??

[glevesque]

Mais par rapport au tissus espace=temps, quel effect ont-ils un et l'autre comme infuence. Bon l'espace-temps a une sorte de consistance, laquelle aucune idée, mais vut que le photon na pas de masse durant sont trajet, commant influance t-il le tissus d'espace-temps. Question un peut bizard je te l'accorde, mais ceci me tracase depuis bien longtemps déjà. La mécanique quantique ou la relativité général on-t-elle des éléments de réponce la-dessus.

A++

[invite8c514936]

Ah OK je comprends... Ce n'est pas seulement la masse qui courbe l'espace-temps, c'est l'impulsion-énergie. Le photon n'a pas de masse mais il a une impulsion et de l'énergie. Sa présence courbe donc aussi l'espace-temps.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite03f54461]

Slu
Autre question
Faut-il considérer un trajectoire de photon comme continue ou discontinue ?

[invite8c514936]

Dans le cadre de la physique quantique, la notion de trajectoire n'est pas si bien définie. Il y a un champ quantique qui remplit l'espace, et qui donne en chaque point la probabilité de détecter quelque chose en ce point... Difficile donc de répondre à ta question...

[glevesque]

Faut-il considérer un trajectoire de photon comme continue ou discontinue

Fais-tu référence aux échanges d'énergie durant son parcourt sur sa tractoire. discontinu dans le sans de son apparence de matérialisation lors de ces échanges multiple d'énergie avec son entourage.

L'émission d'un photon, par un électron par exemple, la trajectoire qu'il suivera est-elle de forme linéaire et sinusual ou de forme sphérique, qui englobe tout l'électron et qui grandis dans l'espace, et sinusual. L'exemple de la roche et de la mare d'eau est-il valable pour un seul électron.

Pouvons-nous dire qu'il y a bris de symétrie dans l'aspect causale des choses, vue de la disparition apparente du photon sur sa trajectoire de l'Univers matérielle.

A++

[invitee9ed9cad]

Dans le cadre de la physique quantique, la notion de trajectoire n'est pas si bien définie. Il y a un champ quantique qui remplit l'espace, et qui donne en chaque point la probabilité de détecter quelque chose en ce point... Difficile donc de répondre à ta question...

C'est justement le paradoxe de la dualité onde/corpuscule.
Corpuscule, elle est discontinue, onde elle est continue.
choisis ton camp camarade.

[invite02d72b70]

Bonjour

J'espere ne pas trop être en hors-sujet avec la fin de ce post en posant cette question, mais deep_turtle explique brievement que l'espace est courbé par une impulsion-énergie, serait il possible d'appofondir ce point svp ?
En fait ces courbures sont encore un grand mystere pour moi, je ne comprend pas très bien ce qui est courbé (forme de matiere, énergie, ...) ou dans quelles "directions" (car on represente souvent par exemple un trou noir comme un plan courbé, je me doute que c'est une simplification mais je n'arrive pas à m'imaginer vers où sa courbure se "dirige" vraiment).
J'espere que ces thèmes n'ont pas deja était abordés précédement, et je vous remercie si vous pouvez m'éclairer sur certaine choses.

[invitee9ed9cad]

Bonjour

J'espere ne pas trop être en hors-sujet avec la fin de ce post en posant cette question, mais deep_turtle explique brievement que l'espace est courbé par une impulsion-énergie, serait il possible d'appofondir ce point svp ?
En fait ces courbures sont encore un grand mystere pour moi, je ne comprend pas très bien ce qui est courbé (forme de matiere, énergie, ...) ou dans quelles "directions" (car on represente souvent par exemple un trou noir comme un plan courbé, je me doute que c'est une simplification mais je n'arrive pas à m'imaginer vers où sa courbure se "dirige" vraiment).
J'espere que ces thèmes n'ont pas deja était abordés précédement, et je vous remercie si vous pouvez m'éclairer sur certaine choses.

Comme le dit deep_turtle, ce qui est courbé c'est l'espace temps
ce qui courbe l'espace c'est l'impulsion energie (je connaissais la notion mais pas le terme, merci deep_turtle ... )
En résumé, plus la quantité d'impulsion energie du secteur est importante, plus l'espace temps est courbé.

Qu'est-ce que l'impulsion energie ?
c'est la quantité d'energie associée a toutes les particules présentes dans l'espace temps considéré.
pourquoi ne dit-on pas simplement masse a la place d'impulsion energie ?
Parce que même les particules non massives sont energétiques.

E=Mc², ça veut dire que l'energie est égale a la masse fois la vitesse de la lumière au carré.
Or si la masse est nulle (cas du photon par exemple) on voit immédiatement que l'equation est forcement egale à 0
Cependant, l'energie contenue dans les photon de l'espace temps considéré a, elle aussi, une influence sur sa courbure ! Si j'ai bien suivi, cette participation reste très marginale, ce qui signifie que les particules non massives n'ont qu'une faible influence sur la courbure de l'espace temps, les particules massives ont, elles, beaucoup plus d'influence.
En gros il faut un nombre de photons considérables pour courber l'espace temps de la même façon qu'avec quelques particules massives.

[invite8c514936]

Juste un petit commentaire :

En gros il faut un nombre de photons considérables pour courber l'espace temps de la même façon qu'avec quelques particules massives.

Tout dépend de l'énergie du photon et de celle de la particule massive. La masse de l'électron est 511 keV, un photon de 1 GeV (2000 fois plus donc) va beaucoup plus courber l'espace-temps que cet électron. Si l'électron est en moouvement avec une énergie totale de 100 GeV, c'est lui qui courbera plus l'espace-temps, plus même qu'un proton au repos, qui a une énergie de 1 GeV environ... Ce sont bien les énergies totales qu'il faut considérer.

[invite02d72b70]

Merci beaucoup pour vos réponses, elles sont très claires.

J'espere ne pas avoir loupé quelque chose en demandant cela mais sait-on pourquoi l'énergie des particules courbe l'espace-temps, car losqu'un corps courbe quelque chose sur Terre on dira que c'est la force gravitationnelle que attire celui-ci vers une direction, mais cette force ne représente t'elle pas justement l'attraction entre 2 corps entre eux, ce qui n'est pas vraiment le cas d'une étoile par exemple courbant seule l'espace-temps.
Ou est-ce que cela est-il causé par une répulsion de son énergie ?

Et peut-on aussi m'éclairer sur la nature de cette courbure, comment se présente t'elle réelement?

[invitee9ed9cad]

Juste un petit commentaire :


Tout dépend de l'énergie du photon et de celle de la particule massive. La masse de l'électron est 511 keV, un photon de 1 GeV (2000 fois plus donc) va beaucoup plus courber l'espace-temps que cet électron. Si l'électron est en moouvement avec une énergie totale de 100 GeV, c'est lui qui courbera plus l'espace-temps, plus même qu'un proton au repos, qui a une énergie de 1 GeV environ... Ce sont bien les énergies totales qu'il faut considérer.

Question : tu dis que la masse de l'électron est de 511 keV, est-ce que cela signifie qu'il degagerait cette energie si il était converti en lumière ?
Dans ce cas je comprendrait qu'un photon hyper energétique puisse autant le dépasser en impulsion energie
mais je t'avoues être très étonné par le fait qu'un photon puisse avoir un potentiel energétique aussi supérieur a celui de la matière !
Il doit y avoir quelque chose qui m'échappe ... a moins que ton photon de 1Gev soit très rare (... GRB ?)
pour moi les particules non massives représentait une part extrèmement marginale dans la force qui courbe l'espace-temps.

[invite8c514936]

Question : tu dis que la masse de l'électron est de 511 keV, est-ce que cela signifie qu'il degagerait cette energie si il était converti en lumière ?

oui c'est ça. Bon, un électron ne peut pas se convertir en photon (la charge électrique ne serait même pas conservée, pour commencer) mais une paire électron-positron (le posotron a la même masse quel'électron) peut se désintégrer en deux photons de 511 keV d'énergie chacun.

mais je t'avoues être très étonné par le fait qu'un photon puisse avoir un potentiel energétique aussi supérieur a celui de la matière !
Il doit y avoir quelque chose qui m'échappe ... a moins que ton photon de 1Gev soit très rare (... GRB ?)

C'est pourtant le cas et non, ils ne sont pas spécialement rares. On en voit même avec des énergies encore plus grandes, plusieurs milliers de GeV. On voit même des rayons cosmiques qui on une énergie de plusieurs milliars de GeV dont on a de bonnes raisons de penser que ce sont des photons...

[invitee9ed9cad]

Pouvons-nous dire qu'il y a bris de symétrie dans l'aspect causale des choses, vue de la disparition apparente du photon sur sa trajectoire de l'Univers matérielle.

A++

ben dis moi tu aimes ça toi les brisures de symétries ! tu les ressors a toute les sauces

il y a 3 sortes de symétries :
C P et T
C pour charge
il s'agit de l'inversion de charge entre une particule et son antiparticule
Pour les baryons (protons et neutrons), on ne considère pas seulement le total de la particule mais en fait on calcule C en fonction des quarks qui les constituent (ce sont eux qui sont porteurs de charge)
P pour parité
Il s'agit de l'image de la particule dans un miroir
tout ce qui est a gauche est a droite et inversement
T pour le temps
les conditions de symétrie T sont remplies lorsque le temps est reversible sans que cela ne provoque de changements.

qu'est ce que c'est que ces trucs la ?
En fait, si notre univers n'avait pas subit de brisure de symétrie, il n'y aurait pas eu de production de matière, seule de l'energie le peuplerait.
Dans ses premiers instants, l'univers a produit des quantités considérables de matière et d'anti matière, a proportion strictement égale.
Cette matière et anti-matière se sont ensuite anihilées.
cependant, la brisure de la symétrie C et P (CP) dans la desintégration, a permis a une infime partie de la matière (1 partie pour 1 milliard) de ne pas disparaitre.
c'est cette partie de la matière qui nous compose, ainsi que les planètes, les étoiles et les grands nuages de gaz interstellaires.
Si la symétrie CP avait été respectée, il n'y aurait pas de matière dans l'univers, seulement de l'energie.

Il n'y a donc aucune brisure de symétrie dans ton exemple, gelvesque.

[invitee9ed9cad]

oui c'est ça. Bon, un électron ne peut pas se convertir en photon (la charge électrique ne serait même pas conservée, pour commencer) mais une paire électron-positron (le posotron a la même masse quel'électron) peut se désintégrer en deux photons de 511 keV d'énergie chacun.

j'entendais bien cela. desintégration particule / anti particule pour tout convertir en energie.

C'est pourtant le cas et non, ils ne sont pas spécialement rares. On en voit même avec des énergies encore plus grandes, plusieurs milliers de GeV. On voit même des rayons cosmiques qui on une énergie de plusieurs milliars de GeV dont on a de bonnes raisons de penser que ce sont des photons...

J'ai lu un dossiers excellent sur les GRB, c'est proprement affolant c'est vrai !
Et pour les plus gros, c'est carrement les plus puissantes manifestations energétique depuis le BB !
Mais j'étais loin de réaliser la part que prennent les particules non massives dans le total d'impulsion energie !
pour moi cette part était totalement marginale (voir négligeable) dans l'addition de l'impulsion energie de toutes les particules d'un espace temps donné.
Je pensais que les particules massives avait une influence très nettement plus importante dans la courbure.

En y reflechissant, ca doit être le cas (impulsion energie des particules non massives très marginale dans le total) dans certains cas ... comme pour notre planète terre par exemple, c'est a dire près d'enormes regroupement de matière, ou je doute fort que l'impulsion energie des particules non massives ait une influence véritable dans la courbure de l'espace temps de cet environnement.

[invitee9ed9cad]

Merci beaucoup pour vos réponses, elles sont très claires.

J'espere ne pas avoir loupé quelque chose en demandant cela mais sait-on pourquoi l'énergie des particules courbe l'espace-temps, car losqu'un corps courbe quelque chose sur Terre on dira que c'est la force gravitationnelle que attire celui-ci vers une direction, mais cette force ne représente t'elle pas justement l'attraction entre 2 corps entre eux, ce qui n'est pas vraiment le cas d'une étoile par exemple courbant seule l'espace-temps.
Ou est-ce que cela est-il causé par une répulsion de son énergie ?

Et peut-on aussi m'éclairer sur la nature de cette courbure, comment se présente t'elle réelement?

un graphique pour commencer :


ceci est une représentation en 3D d'un espace temps a 4D
le trou que tu vois représente la déformation de l'espace temps induit par la présence de la planète (par le total de l'impulsion energie des particules présentes a cet endroit donc)
L'avantage de ce graphique est qu'il permet de visualiser cette deformation, et qu'il permet de l'associer très simplement au pouvoir d'attraction gravitationnel du corps considéré =>

imagine que tu te rapproches d'une planète, dans ton delta glider III , vaisseau spacial flambant neuf, pour t'y poser.
Pour simplifier on va dire que le graphique de gauche est une planète.
tant que tu es loin, tu n'entres pas dans l'espace temps specifique de la planète, tu restes sur le plan bien droit.
arrivé a proximité de la planète, tu commences a ressentir l'influence gravitationnelle de celle ci : tu abordes la pente descendante.
Cependant avant de te poser sur cette planète, tu a un rendez vous en orbite.
Ton but est donc de rester autour de la planète sans te poser dessus.
Le problème c'est que la planète t'attire, alors comment echapper a son attraction ?

Pourquoi la planète t'attire => car elle deforme l'espace temps autour d'elle comme tu peux le voir sur l'image. plus tu te rapproche d'elle, plus tu es attiré.
mais tu es attiré avec une force finie, bien determinée en fonction de ta distance a cette planete :
plus tu es loin, moins tu es attiré, plus tu es près, plus tu es attiré.
tu peux visualiser ça sur le graphique : plus tu te rapproches, plus tu t'enfonces dans le trou.

Le moyen que tu peux utiliser pour rester en orbite c'est d'augmenter ta vitesse :
Si cette vitesse est assez importante, tu tomberas sur cette planete, MAIS ta vitesse t'empechera te percuter sa surface => ta chute aura un rayon de courbure supérieur au rayon de la planète (plus de son atmosphère qui risque de te ralentir et donc reduire ton rayon de chute jusqu'a toucher la surface de la planète).
La vitesse minimum a laquelle tu restera en orbite s'appelle la vitesse de satellisation.
Si maintenant tu veux partir de la planète, il te suffit d'accelerer afin que ta vitesse te permette d'echapper a l'attraction gravitationelle de la planète.
a un moment précis, ton orbite va devenir une hyperbole, c'est a dire que tu ne seras plus en orbite autour de la planète mais autour du corps majeur du système (le soleil dans le notre)
il suffit d'atteindre cette vitesse, dite de libération, afin que la planète ne puisse plus te retenir.
Pour la terre, la vittesse de satellisation est ~ de 7.8 km/s en orbite basse a 250km d'altitude et la vitesse de libération est de ~11 km/s
entre 7.8 km/s et 11 km/s tu as donc une vitesse qui te permet de rester en orbite terrestre sans jamais tomber a la surface. En deça, tu finis inexorablement par tomber sur la planète, au dessus tu t'eloignes irrémédiablement (sauf a la rencontrer de nouveau au cours d'une orbite autour du soleil ... ne rentrons pas dans ces détails)

Voila ce que c'est que la courbure de l'espace temps et comment elle est utilisée en navigation spaciale.
pourquoi on dit espace temps et pas seulement espace ?
car en plus de courber l'espace au point de t'attirer gravitationnellement, le temps aussi est courbé par le potentiel impulsion energie :
pour resumer, on peut dire que le temps passe plus lentement près des grosses masses.
c'est presque négligeable prêt de la terre, mais il faut savoir que même pour notre planète cela a une influence

si tu mets une horloge atomique (ultra precise pour pouvoir mesurer l'infime ecart de temps) a la surface de la terre et une autre en haut d'une tour de 100 mètres, tu constateras au bout de quelques temps que l'horloge en haut de la tour tourne un peu plus vite (treeeeeeeees peu mais un peu quand même) que celle située a la surface !
on le comprends bien en regardant le graphique : plus c'est bas, plus le temps s'ecoule lentement.
cet effet est non négligeable avec nos technologies actuelles !!
Si cet effet n'avait pas été pris en compte dans les horloges des satellites GPS, le decalage induit par la déformation temporelle affecterait la precision de façon dramatique : plusieurs dizaines de centimetres d'erreur chaque jour !! imaginez au bout d'un an ...

[invite8ef897e4]

Merci OKO pour ce post tres clair et de qualité ! Néanmoins, je crois qu'une petite inattention s'y est glissée :

ceci est une représentation en 3D d'un espace temps a 4D

Il s'agit en fait d'une representation a 2 dimensions de notre espace à 4 dimensions, plongée dans un espace à 3 dimensions, puis pour des raisons technologiques projeté sur un espace à 2 dimensions : l'écran.

Remarquons que pour visonner un espace courbe à 4 dimensions, il faudrait le plonger dans un espace à 5 dimensions.

La sphere (2 dimensions) est usuellement plongée dans l'espace euclidien tridimensionnels.

Je suis peut-être un peu trop pointilleux. Ca n'enlève rien a la qualité de ton message.

[invite02d72b70]

Encor merci OKO pour cette réponce très complete,
Il y a encor une question qui perciste pour moi, et justement par rapport à la représentation graphique dont tu a mit le lien. On y vois que l'espace-temps est courbé par la présence de cette planete, mais cette représentation est-elle vraiment réaliste ? Il me semble étrange de concidérer l'espace-temps comme un plan courbé en de très nombreux points par divers corps.
Mais si ce n'est pas le cas, qu'est-ce qui détermine dans quel "sens" va la courbure ?

Désolé, je sens que ma question est très bête, mais elle me trotte dans la tête depuis pas mal de temps alor ...

edit : tu m'a pris de court humanino mais n'y a t'il pas un moyens pour s'aider a se le représenter, j'ai un peut de mal a te suivre.

[invite8ef897e4]

Je crois que la representation fournie par OKO est la meilleure au niveau geometrique que notre pauvre petite imagination puisse s'offrir. En tout cas, elle me suffit amplement.

Cette representation est assez realiste. La deflection d'une bille roulant sur la surface illustre tout a fait l'effet de la courbure. Cette courbure irait toujours "vers le bas".

[invite8ef897e4]

OKO, peut etre peux-tu modifier ton image, et faire apparaitre la déflection d'une trajectoire au voisinage d'une des étoiles ? Je crois que cette illustration complete serait encore plus convaicante.

[invite02d72b70]

Je me suffit aussi bien sur de cette représentation, mais si nous désirions se représenter cette courbure comme elle l'est réelement, celà n'irait bien sur plus vers le bas, mais vers ou alors, toutes les directions ? Difficile à imaginer cela avec par exemple un trou noir dont la courbure est presque infinie.

Enfin s'il s'agit vraiment là de la limite de notre imagination comme tu le dit humanino et bien tant pis ...

[invite8ef897e4]

La courbure est une propriete intrinseque. La direction de la courbure n'apparait qu'une fois la variete courbe plongee dans un espace de plus grande dimension.

[invitee9ed9cad]

oui, en fait il ne faut pas se prendre la tête a essayer de convertir mentalement l'illustration au réel.
ca serta a comprendre le principe mais ce n'est pas une représentation réaliste (y compris l'echelle de la courbure totalement arbitraire)
par exemple, l'illustration montre un espace a seulement 2 dimension (xx', yy')
comme si on evoluait a la surface d'un océan.
l'axe zz' montre lui la courbure de l'espace temps, quelque chose de totalement invisible, comme une sorte de potentiel d'attraction qui augmente jusqu'au corps planetaire.
ceci n'est juste que pour illustrer graphiquement cette courbure de l'espace temps, qui est invisible, mais bien réelle.

pour la modif de l'image : je l'ai trouvé avec google et je suis une quiche a photoshop ... si tu te sens le faire je demanderais a l'admin de changer le lien (je peux herberger)

[invitee9ed9cad]

Je me suffit aussi bien sur de cette représentation, mais si nous désirions se représenter cette courbure comme elle l'est réelement, celà n'irait bien sur plus vers le bas, mais vers ou alors, toutes les directions ? Difficile à imaginer cela avec par exemple un trou noir dont la courbure est presque infinie.

pas presque, totalement infinie a l'endroit de la singularité, pour le trou noir.
Cette courbure n'a pas de fin a l'endroit de la singularité, en conséquence, plus tu t'approches du corps stellaire (le trou noir) plus le temps ralenti, jusqu'a ... s'arrêter (ou presque, il ralentit constamment jusqu'a l'infini).
ce type de graphisme permet justement de comprendre ce qui se passe avec une telle singularité, simplement le puit n'a pas de fond, donc la densité de l'energie impulsion contenu au centre du trou noir est infinie, donc le temps est infini.
uniquement a l'endroit de la singularité, qui elle même est infiniment petite.
les infinis peuplent le monde des trous noirs...

par contre l'attraction gravitationnelle du trou noir correspondra exactement a la quantité d'impulsion energie qu'il contient (depuis son origine + ce qu'il a absorbé depuis).
comme on le voit sur la comparaison entre les 2 graphiques (étoile et étoile a neutron), un corps dense possède une courbure spécifique : le rayon d'attraction est assez faible mais la pente de la courbure est très importante : en résumé, il attire de moins loin, mais il attire beaucoup plus fort a mesure que tu te rapproches, qu'un corps moins dense.
la représentation de la courbe du trou noir serait encore plus prononcé que celle de l'étoile a neutron : le rayon serait encore plus petit, et le puit n'aurait pas de fond.

[invite02d72b70]

Merci OKO, c'est vrai que j'ai beaucoups de mal à me faire à cette notion d'infinie en physique, pour moi il y a toujours un fond sur lequel repose toute l'énergie absorbée non ? Il n'a tout de même pas disparue ... ou l'espace-temps reprendrait sa forme normale non ?

Enfin ce sont des détails

[invite20c8322e]

Je pense avoir trouvé la page adéquate à la discussion, effectivement en pensant aux appareil photos, vitesse d'obturation, je me demandais si les photons laissaient des traces de leur passage, si dans l'infiniment petit, il y avait des résidus, des restes de je ne sais quoi (puisque je n'y connais rien )
Alors j'ai trouvé cette page sur internet qui, il me semble répond à la question posée en haut..

Voilà la lien

http://www.laradioactivite.com/fr/si...edetection.htm

[Deedee81]

Salut,

Bienvenue sur Futura et n'oublie pas de dire bonjour.

il me semble répond à la question posée en haut..

Je n'ai pas vérifié mais il y a peu d'espoir que l'auteur de la question voie la réponse.

Le message auquel tu réponds est vieux de sept ans