Influence de l'expansion sur l'énergie du vide

[inviteaa1dff49]

Salut à toutes et à tous !

Je viens de m'inscrire, mais ca fait un petit moment que j'explore ce site

Voici mon raisonnement:

D'une part, il est plus ou moins établit (cf: force de Casimir) que le vide quantique présente des fluctuations d'énergies, que l'on interprete a notre echelle comme un phénomène de création/annihilation de paires de particules.

D'autre part, l'expansion provoque une augmentation du volume de l'Univers, donc une dilution de la matière présente (meme si localement elle se condense).

Question: que se passe t-il pour le vide quand un volume d'espace entre en expansion? Si le volume augmente, il faut bien remplacer le "nouveau" volume par du "nouveau" vide.

Dans ce cas, si la densité d'energie du vide reste la meme, on viole le principe de conservation de l'energie non ? Ou alors l'expension dilue le vide ?

Merci de me faire part de votre avis
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[invitee83e5c9e]

Salut, on peut tout simplement considérer que l'espace a une densité d'énergie qui n'est pas pareille partout.
L'exemple de l'effet Casimir que vous suggérer l'indique bien;
la densité d'énergie a l'extérieur de la cavité est supérieur a la densité d'énergie dans la cavité et pourtant il n'a pas d'atome nulle part pour expliquer cela.
On ne peut pas tout éliminer ce qu'il y a dans cette cavité car il y aurait
une différence de pression trop importante.
Dans l'espace cosmique,il y a donc des endoits ou l'espace a une densitée d'énergie différente,voila.

[inviteaa1dff49]

Je comprend que dans le cas de l'effet Casimir, la densité d'énergie du vide est plus faible a l'intérieur de la cavité car les longeurs d'ondes des fluctuations du vide sont limitées par cette meme cavité.

Mais dans le cas d'un volume d'espace, vide, entouré de vide, et en expension, il n'y a rien qui pourrait limiter les modes vibratoire du vide.

Dans ce cas je ne comprend pas pourquoi la densité d'energie du vide serait plus faible ou plus élevée en certains point de l'espace

A la limite on faire une analogie avec le décalage vers le rouge des Galaxies lointaines qui est du à "l'étirement" des longeurs d'onde de la lumière par l'expansion de l'espace.

Les longeurs d'ondes du vide, ses "modes vibratoires", seraient donc également étirés par cette expansion ?

Dans ce cas on aurait du vide "étiré", dilué uniformément, donc sans variations de densité d'energie, mais avec une densité d'énergie globale qui diminue au meme rythme que l'expansion ?

Dans ce dernier cas on devrait s'en rendre compte si la densité d'energie du vide diminuait, non ? Genre ca pourrait influencer l'expansion ?

En fait je commence a me demander si je n'ai pas posé ma question à l'envers: influence de l'énergie du vide sur l'expension ?

Aie, bobo a la tete...

[invite88ef51f0]

Salut,
C'est une des grandes questions actuelles de savoir si l'énergie noire est de l'énergie du vide, c'est-à-dire reste contante dans l'expansion. L'expansion ne change pas le vide, donc la densité d'énergie du vide reste la même. L'énergie totale augmente donc. Ça viole donc la conservation de l'énergie... mais ce n'est pas grave ! En effet, la conservation de l'énergie ne peut pas s'appliquer dans un univers en expansion. La conservation de l'énergie s'applique lorsqu'on a une invariance dans le temps, ce qui n'est pas le cas dans ce cadre.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteaa1dff49]

Ça viole donc la conservation de l'énergie... mais ce n'est pas grave ! En effet, la conservation de l'énergie ne peut pas s'appliquer dans un univers en expansion. La conservation de l'énergie s'applique lorsqu'on a une invariance dans le temps, ce qui n'est pas le cas dans ce cadre.

Ahem ... Pourrais-tu m'expliquer ce qu'est une invariance dans le temps ? Une quantité d'énergie qui reste identique lorsque le systeme evolue dans le temps ?

De là plusieurs petites précisions s'il vous plait:

Pourquoi ca ne s'applique pas à l'Univers en expansion ?

Je pense a ca: si les lois de la thermodynamique s'y appliquent l'Univers va devenir de plus en plus froid (à l'échelle cosmologique). C'est pour ca que tu dis qu'il n'y a pas conservation de l'énergie ? Parceque notre Univers refroidi ?

A ce moment la, si l'Univers crée du vide au cours de l'expansion, et l'énergie qui va avec, pourrait-il y avoir un transfert d'energie, avec pour conséquence un "refroidissement" d'une part et une création d'énergie du vide d'autre part ? Comme ca on aurait une conservation de l'énergie, non ?

Et sinon d'ou vient cette énergie ? p-branes, dimensions enroulées, quantum d'espace-temps ? Quelles sont les "idées" de prospection actuelles, car il me semble comprendre que ma question reste pour le moment orpheline...

Ou alors je me trompe (encore) quelque part ?


"Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme": Quelqu'un l'a dit, c'est sûr...

[invite88ef51f0]

L'invariance dans le temps, c'est le fait que les lois de la physique restent les mêmes, qu'il n'y a pas d'instant privilégié. Or, c'est faux dans un univers en expansion.

"Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme": Quelqu'un l'a dit, c'est sûr..

C'était Lavoisier il y a plusieurs siècles... mais ce n'est pas toujours vrai.

Et sinon d'ou vient cette énergie ?

Ta question n'a pas lieu d'être. Si on avait conservation de l'énergie, on pourrait se demander, mais là il n'y a pas de raison.

[inviteaa1dff49]

L'invariance dans le temps, c'est le fait que les lois de la physique restent les mêmes, qu'il n'y a pas d'instant privilégié. Or, c'est faux dans un univers en expansion.

Donc si je comprend bien: notre univers qui est en expansion ne repond pas au "critère" d'invariance dans le temps. Par exemple parceque les lois de la physique n'étaient pas les mêmes au tout début du Big Bang (temps de Planck et companie)...

La ok je comprend.

Mais, et pardonnez-moi d'insister, entre aujourd'hui et demain les lois de la physique seront les mêmes (j'espère).

Or, entre aujourd'hui et demain, avec la constante de Hubble et ma calculette, je vois qu'un volume d'un megaparsec de coté aura "grandi" de 6 200 000 km et des poussières...

Le "nouveau" vide crée tous les jours est donc "victime" du fait qu'on a pas d'invariance dans le temps a l'echelle de l'univers ?

Je veux dire: entre aujourd'hui et demain, le principe de conservation de l'énergie ne s'applique pas ? Parceque les loi de la physique ne sont pas invariantes à l'echelle de temps de l'Univers ? C'est ca que tu veux dire ?

Mais alors... les lois de conservations de l'energie peuvent etre violées dans d'autres cas ?

[invite88ef51f0]

Donc si je comprend bien: notre univers qui est en expansion ne repond pas au "critère" d'invariance dans le temps. Par exemple parceque les lois de la physique n'étaient pas les mêmes au tout début du Big Bang (temps de Planck et companie)...

Le simple fait qu'il y ait un instant particulier suffit.

Mais alors... les lois de conservations de l'energie peuvent etre violées dans d'autres cas ?

En dehors de ce contexte cosmologique, on retrouve la loi de conservation habituelle.

[inviteda16ae79]

Question: que se passe t-il pour le vide quand un volume d'espace entre en expansion? Si le volume augmente, il faut bien remplacer le "nouveau" volume par du "nouveau" vide.

Dans ce cas, si la densité d'energie du vide reste la meme, on viole le principe de conservation de l'energie non ? Ou alors l'expension dilue le vide ?

Merci de me faire part de votre avis

Tout d'abord, l'énergie qui rend compte de l'accélération de l'expansion (qui a été observée) est une énergie génériquement nommée "énergie noire" car il y a incertitude quant à son origine. Dans un modèle possible, elle est une constante cosmologique, qui agit en effet comme une densité d'énergie du vide. Cette densité d'énergie est constante et ne dépend de rien d'autre que de la présence d'espace. Le "nouvel espace" créé lors de l'expansion a la même densité d'énergie que l'"ancien espace" environnant. C'est bien l'énergie du vide qui provoque l'accélération de l'expansion, et il n'y a pas de "dilution d'énergie". Dans d'autres modèles, elle pourrait notamment dériver des autres champs couplés à l'espace, avec une densité d'énergie constante ou variable dans l'espace ou le temps.

Or, dans tous ces cas, se pose légitimement la question de la conservation de l'énergie.

La réponse généralement acceptée aujourd'hui est que la quantité totale d'énergie de l'univers est nulle. Le champ gravitationnel étant caractérisé par une énergie négative, et les champs de matière et de rayonnement par une énergie positive. L'expansion de l'espace augmente l'énergie négative, qui est compensée par l'énergie positive des autres champs. il n'y a ainsi pas de limite à la quantité d'espace, de matière et de rayonnement qui peuvent être créés sans violation du principe de conservation de l'énergie. Cela permet également de reconcilier le big bang avec les lois physiques : il n'est pas contradictoire que l'univers ait été "rien" au temps zéro car "rien" est aussi une solution possible à énergie nulle. L'énergie du monde apparaît donc extraite du puit en principe inépuisable de l'espace-temps.

Il faut noter que dans la théorie cette question est complexe et assez technique, car la relativité générale ne permet pas la localisation de l'énergie du champ gravitationnel dans le cas général (si cette énergie pouvait être toujours localisée, on intégrerait pour trouver l'énergie totale) et par ailleurs il y a plusieurs définitions possibles d'énergie. Toutefois on peut contourner le problème en considérant uniquement l'énergie totale de l'univers, sans chercher à la localiser, et par une identification avec l'hamiltonien. Une vingtaine de travaux réalisés dans ce sens et par différents chemins théoriques sur les 3 dernières décennies convergent tous vers ce même résultat d'une énergie totale nulle. Remarquablement, ce résultat reste le même que l'on postule un univers fini ou infini, que l'on varie l'équation d'état, ou que l'on considère une métrique isotropique ou pas.