*Paf*, et le big bang fût

[invitea3f9d9fe]

Bonsoir à tous, voila je suis un passionné de l'astronomie depuis tout petit. Je vous passe les détails.

Bref je viens de m'inscrire sur ce site qui a l'air "sérieux" pour vous poser une question que je me pose depuis un bon moment.
Je suis d'avance désolé si le sujet a déjà été crée.

J'ai entendu certaine théories comme quoi avant l'explosion, avant le big bang, il y avait un objet de la taille d'un œuf, un concentré d'énergie, et que c'est cette énergie une fois libérée qu'on appel aujourd'hui le big bang.

Enfin ça reste une théorie.

Mais j'ai une question que je pose depuis toujours : d'où vient cette fichu énergie, elle n'a pas pu faire "paf" "coucou je suis sorti du néant" ce n'est absolument pas possible... On m'a appris une règle d'or en astronomie : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".

Mais comment peut se transformer quelque chose qui n'existait pas avant, comment explique t-on le fait que cette énergie est apparu du néant, comme un "paf", bon c'est un peu grossier comme métaphore mais l'idée est là.

Et s'il vous plait ne me répondez pas "comment étais-tu avant ta naissance" car ça n'a absolument rien à voir, avant ma naissance, la Terre tournait, et mes parents vivaient, je ne suis pas apparu du néant comme cette fameuse énergie, on est bien d'accord sur ce point.
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[invite875434567890]

Et pourquoi cela serait apparu du néant ?
La science parle d'une singularité, avant le big bang la science n'a pas d'élément permettant de donner de réponse. Le temps lui même serait apparu, il n'est donc pas rationnel d'invoquer un "avant".

[invite80fcb52e]

La science parle d'une singularité, avant le big bang la science n'a pas d'élément permettant de donner de réponse. Le temps lui même serait apparu, il n'est donc pas rationnel d'invoquer un "avant".

En fait la science ne peut pas dire s'il y avait une singularité, tout ce qu'on sait c'est qu'on remonte à une zone très dense et très chaude mais on peut pas savoir comment c'était avant...
Cette limite c'est le temps de Planck!

S'offre à nous 3 possibilités:
- on dit qu'on ne sait pas comment c'était avant, chose que personne ne fait jamais et qui est la vrai réponse scientifique à l'heure actuelle.
- on extrapole la relativité générale sachant pertinemment qu'elle est fausse dans ce domaine et on en déduit qu'il y a une singularité. C'est ce qui est fait depuis des années maintenant...
- On utilise des théories adaptés à ce domaine mais ne sachant pas si elles sont bonnes ou pas car elles n'ont pas été vérifiées. Ces théories de gravitation quantique en général permettent de ne plus avoir de singularité et d'avoir un "avant" Big Bang comme un rebond par exemple.

[papy-alain]

...Et pour ce qui est du temps qui serait apparu avec le big bang, je reprends le raisonnement d'E. Klein : pas de temps = pas d'évolution. Pas d'évolution = pas de big bang. Il est donc raisonnable de penser qu'il y a toujours eu un temps qui s'écoule, qu'il y a donc eu un avant-big bang, mais ce qu'il y avait avant on n'en sait rien pour le moment.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite875434567890]

Revenons sur la maxime:
Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme…
A mon avis invoquer que le big bang serait apparu du néant est une erreur.
Il ya eu transformation de quelque chose que l'on ignore. Que le temps, l'espace, et plus tard la matière soit apparue à partir de cet événement, ne me parait pas inconcevable. Ce qui l'est moins c'est ce qui précède. La science n'a pas d'élément pour se prononcer.
Ce qui précède n'est pas forcement accessible à nos sens, à la possibilité pour un humain de décrire un événement qui n'est pas à notre portée cognitive.
Cela ne fait que repousser la question de pourquoi quelque chose plutôt que rien ? À laquelle la science, si elle peut y répondre un jour, écarterait la possibilité d'une création ex-nihilo.

[invitea3f9d9fe]

Très bien, merci à vous pour vos réponses, donc si je résume, nous n'avons actuellement pas les connaissances nécessaire pour savoir ce qu'il y avait avant le big bang.

A mon avis invoquer que le big bang serait apparu du néant est une erreur.
Il ya eu transformation de quelque chose que l'on ignore. Que le temps, l'espace, et plus tard la matière soit apparue à partir de cet événement, ne me parait pas inconcevable

Même si on s’accorde à dire que le big bang est une transformation de quelque chose, ce quelque chose lui même doit avoir une autre source ? Et puis de fil en aiguille on se rend compte que l'énergie qui a donné ce quelque chose a forcément du faire "paf" au bout d'un moment et sortir du néant. Ce qui me paraît très étrange.

[invite875434567890]

Et puis de fil en aiguille on se rend compte que l'énergie qui a donné ce quelque chose a forcément du faire "paf" au bout d'un moment et sortir du néant. Ce qui me paraît très étrange.

ça n’est pas parce que la sience n’a pas les billes pour expliquer ce qui s’est passé aux origines du big bang, qu’il faut en déduire que cela vient du néant. La création ex-nihilo est du domaine des croyances, cela n’a rien de scientifique.Il existe des théories multi-univers, big crunch etc…Se poser la question des origines, du pourquoi quelque chose plutôt que rien, du comment, la mécanique quantique décèle des mécanismes étranges: des particules virtuelles apparaissent spontanément puis s‘annihilent. Recherchez effet casimir, vous apprendrez que la nature a décidemment horreur du vide.

[invite231234]

Pour compléter ce que dit Sénide, l'avant Big-Bang était une dynamique de fluctuations, on peut imaginer des états superposés sans temps et d'un coup (mis sans temps) ça à fait des chocapics !

[papy-alain]

Pour compléter ce que dit Sénide, l'avant Big-Bang était une dynamique de fluctuations, on peut imaginer des états superposés sans temps et d'un coup (mis sans temps) ça à fait des chocapics !

Une dynamique de fluctuations sans temps !!! Tu réalises ce que tu écris ?

[invite231234]

Oui parfaitement, cela signifie qu'il y ait transformations des états l'un dans l'autre mais je conçois tout à fait que sans temps reste inimaginable (demande à la MQ ce quelle en pense ! ) !

[papy-alain]

Ah, si c'est inimaginable, on est d'accords.

[invite231234]

Ben non, mais qu'est-il imaginable si je te propose la vue d'un objet en 5 D vas-tu me dire que "c'est clair" ?
Aussi je propose des transformations sans temps, c'est le problème de la mesure comme toutes les particules de l'Univers (connu ! ) interagissaient ensemble, elles étaient forcément intriquées (du moins d'un certain point of view) !
Maintenant on dit aussi que le temps n'a pas d'existence alors papy-alain qu'en penses-tu est-ce "plus clair" ?

[papy-alain]

Il y a déjà eu tellement de discussions sur ce qu'était le temps ! Une notion abstraite ? Une invention de l'homme ? Ce qui est sûr, c'est que pour le mesurer, on fait inévitablement appel à un mouvement, qu'il s'agisse de la rotation terrestre pour un jour, de la révolution terrestre pour une année, d'un multiple de la période d'onde du césium 133 émise lorsqu'un électron change de niveau d'énergie, etc. Sans mouvement, il n'y a plus de temps et, inévitablement, sans temps il n'y a plus de mouvement. La notion de temps intervient dans toute mesure de vitesse. S'il n'y a plus de temps, la lumière elle-même s'arrête, les photons sont immobiles. Est ce concevable ?

[invite875434567890]

S'il n'y a plus de temps, la lumière elle-même s'arrête, les photons sont immobiles. Est ce concevable ?

Ce n'est pas parce que nous sommes incapables de le concevoir, que ce qui nous est inconnu est impossible.
Soit nous sommes limités dans la façon de concevoir, soit il y a des choses cachés que nous sommes pour l'instant incapable de déceler.
A mon avis, il faut déjà attendre que la matière dévoile quelques uns de ces mécanismes cachés, que nous avons du mal à nous représenter.
Il sera alors peut-être possible d'établir un scenario sur l'origine du big bang.

[Gilgamesh]

Mais j'ai une question que je pose depuis toujours : d'où vient cette fichu énergie, elle n'a pas pu faire "paf" "coucou je suis sorti du néant" ce n'est absolument pas possible... On m'a appris une règle d'or en astronomie : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".

Tu as la théorie du bootstrap de Gunzig qui est assez séduisante sur la question (voir son bouquin de vulgarisation "Que faisiez-vous avant le Big-Bang ?").

Je cite d'ici

la science serait donc impuissante à déchiffrer la cosmogenèse…

Un des aspects les plus fascinants de la physique de ces trois dernières décennies est d’avoir progressivement pu apporter une réponse négative à cette question. Cette réponse passe par le face-à-face entre la relativité générale et le deuxième pilier fondamental sur lequel s’appuie toute la physique contemporaine, la théorie quantique. Elle correspond à une extension de la théorie d’Einstein qui emprunte à la théorie quantique ce qui lui manquait : la possibilité de créer et annihiler de la matière. Or, l’acteur central de cette démarche n’est autre que le... vide ! Non pas le vide (intuitif) de la physique classique qui correspond à l’absence de toute chose, mais le vide quantique qui est, lui, le siège d’une activité sauvage, de fluctuations incessantes et par principe inamovibles. Ce vide fluctuant quantique est l’état le plus figé dont la Nature puisse s’accommoder, celui dont le degré de vacuité ne peut être diminué. Et ce vide – c’est le point essentiel – possède donc une énergie non nulle (contrairement au vide classique), celle associée à l’ensemble de toutes ses fluctuations. Ce vide est un acteur étrange capable du pire comme du meilleur, d’une catastrophe de la physique d’aujourd’hui comme d’une voie royale vers une représentation possible de la cosmogenèse.

Parlez-nous surtout du meilleur, nous laisserons la catastrophe pour une autre fois…

C’est essentiellement la possibilité inattendue de concevoir l’émergence de l’Univers à partir du vide quantique dans un processus qui évite tout recours au Big Bang. C’est d’un jeu interactif extraordinairement subtil entre les fluctuations quantiques du vide et l’expansion de l’espace que naît l’Univers : l’expansion de l’espace force le vide à transformer ses fluctuations en particules, donc à créer de la matière, et cette matière force en retour l’espace à s’étendre. Extraordinaire serpent qui se mord la queue ! L’Univers résulte dans cette image d’un mécanisme qui se déroule de manière auto-consistante, sans devoir s’appuyer sur aucun secours extérieur. L’Univers qui se crée ainsi découvre en lui-même l’énergie nécessaire à l’activation de sa propre création : c’est un free lunch, disent les Anglo-Saxons. De plus, la phase primordiale créationniste qui résulte de ce phénomène correspond à cette période initiale d’expansion exponentiellement démesurée, l’inflation, dont les physiciens ont tellement besoin aujourd’hui pour concilier les observations expérimentales et les prédictions théoriques.


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En résumé ça ressemble au mécanisme du rayonnement de Hawking. A peine crée les paires de particules-antiparticules virtuelles se trouvent séparées par un horizon et ne peuvent donc plus s'annihiler. Elles deviennent réelles. Dans le cas des trou noir, l'horizon est gravitationnel (rayon R = 2GM/c² avec G le cte gravitationnelle, M la masse du trou noir et c la vitesse de la lumière). Dans le cas de l'univers inflationnaire, il est cosmologique (R = c/H, avec H le taux d'expansion ou "cte de Hubble"). C'est la c'est la croissance démesurée du facteur d'échelle qui isole les particules derrière un horizon où leur antiparticules disparait.

a+

[invite875434567890]

Le rayonnement fossile correspond à la période ou l'univers passe d'un état opaque à un état lumineux. Je ne sais pas si c'est à cette époque qu'apparaissent les photons, ou s'ils existaient avant englué dans cet espace opaque. D'après le scenario d'Edgard Gunzig, j'interprète une origine du aux fluctuations du vide. Dans ce cas, je n'entrevoie pas la possibilité d'une phase originelle, d'une genèse, ou toute l'énergie aurait été concentrée en un point avant le big bang.

[papy-alain]

Le rayonnement fossile correspond à la période ou l'univers passe d'un état opaque à un état lumineux. Je ne sais pas si c'est à cette époque qu'apparaissent les photons, ou s'ils existaient avant englué dans cet espace opaque. D'après le scenario d'Edgard Gunzig, j'interprète une origine du aux fluctuations du vide. Dans ce cas, je n'entrevoie pas la possibilité d'une phase originelle, d'une genèse, ou toute l'énergie aurait été concentrée en un point avant le big bang.

Le CMB a été émis lors du découplage. Energie et matière existaient dés les premières secondes mais étaient intimement liés dans une soupe incroyablement dense, le rayonnement électromagnétique interagissant continuellement avec la matière. Il a fallu 380.000 ans pour que, la densité diminuant, les photons puissent enfin se libérer de la matière.
Quant aux aspects de la théorie quantique du vide pouvant générer le big bang, c'est une théorie à la mode, mais ça reste très spéculatif, au même titre que toutes les autres théories d'avant-big bang. On peut supputer les probabilités, mais prouver quoi que ce soit par l'observation, c'est pas demain la veille.

[Gilgamesh]

Le rayonnement fossile correspond à la période ou l'univers passe d'un état opaque à un état lumineux. Je ne sais pas si c'est à cette époque qu'apparaissent les photons, ou s'ils existaient avant englué dans cet espace opaque.

Comme dit, ils existaient en interaction constante avec la matière, avec un libre parcours moyen très faible.

D'après le scenario d'Edgard Gunzig, j'interprète une origine du aux fluctuations du vide. Dans ce cas, je n'entrevoie pas la possibilité d'une phase originelle, d'une genèse, ou toute l'énergie aurait été concentrée en un point avant le big bang.

Dans ce scénario la phase originelle c'est un petit volume de vide au sein d'un univers antérieur.

repost :

On part d'un volume de vide infinitésimal. Pas du néant, donc.

Car il y a 3 notions distinctes qu'il ne faut pas confondre :

- le vide, qui n'est pas absolu dans le sens de "pas absolument vide", même fondamentalement,

- l'espace, que l'on pourrait supposer coïncider avec un "vide absolu" (un vide plus vide que le vide réel) mais qui possiblement possèderait une topologie complexe (dimensions repliées...) à l'origine de la fécondité du vide,

- le néant qui représente l'absence d'espace, de temps et plus généralement de tout ce qui pourrait représenter quoique ce soit d'intelligible. Le néant est une notion métaphysique, et non physique, c'est çà dire qu'il réside dans sa simple définition : c'est n'est rien. On ne doit en droit le faire correspondre avec rien d'existant, par définition.

Les deux premières notions, représentent par contre quelque chose de physique, et elles font l'objet de spéculations de haut niveau, car elle sont testables.

On part donc du vide, mais un vide un peu spécial. Dans la théorie de l'inflation, on imagine un champ pour lequel quand le champ est nulle, l'énergie n'est pas minimale. Ce qui fait que le champ évolue spontanément pour acquérir une certaine valeur et que le vide en état de transition induit une pression négative, concept bizarre mais rigoureux. Cela se traduit physiquement par l'équivalent d'une constante cosmologique qui, dans les équation de la Relativité Générale, provoque l'expansion de l'espace.

Cette expansion de l'espace, crée du vide, ce qui amplifie encore l’expansion, qui devient exponentielle.


La théorie de l'inflation, en cinq étapes.


Phase 1 (faux vide) : soit dans un espace vide ; pas le nôtre, celui d'un univers déjà formé et en expansion, un champs quantique de valeur nulle, appelé "inflaton" pour la cause. L'inflaton, c'est comme un photon, un boson de Higgs, ce genre de truc, mais plus massif et il s'agit d'un boson dit scalaire, c'est à dire que son spin est nul, à l'instar du boson de Higgs.

Comme pour tout champs quantique, quand la valeur du champs est nulle il n'y a pas de particule. Pour la plupart des champs connu, cet état est aussi l'état d'énergie minimale.

Mais pas pour l'inflaton. Le champs d'inflaton est en état de "faux vide" quand il est nul, c'est à dire qu'il n'est pas à son énergie minimale. Si V est l'énergie potentielle de ce champs et Phi la valeur du champs, V(Phi) > 0 quand Phi = 0 (cad quand les parties réelle Re(Phi) et imaginaire Im(Phi) sont toutes deux nulles).

higgs-mecanisme.gif

Phase 2 (transition vers le vrai vide) dite 'slow roll' : tant que la valeur de l'inflaton est nulle, la symétrie est respectée et aucun phénomène ne se produit (ni inflation, ni expansion) mais cet équilibre est précaire comme un crayon posé sur sa pointe. Le mécanisme qui provoque la descente vers l’état de vide ordinaire est déterminé par des fluctuations d'origine quantique (analogue à l'effet tunnel). Dès que le champs de l'inflaton s'écarte de sa valeur nulle ("faux vide"), l'histoire commence. Autrement dit, l'univers 'sort' par effet tunnel de l'univers précédent directement au stade où cela provoque la brève inflation.

Celle ci amène le champs scalaire jusqu'à son état d'énergie minimale, de "vrai" vide (le notre, en bas de la colline sur le schéma), dans lequel l’état de symétrie initiale (où Phi=0) est brisé : le champs à du "choisir" une valeur dans la vallée, ce qui entraine plein de conséquences sur la physique fondamentale de la zone où règne le champs à sa nouvelle valeur.

La densité d'énergie de ce faux vide implique une pression négative représenté en relativité générale par une force de répulsion. L'équation d'état, c'est à dire ce qui relie la pression p à la densité d'énergie rho du champs est du type p = -rho. C'est à dire que contrairement à la matière, une densité d'énergie positive engendre une pression négative. Une canette de coca remplit de ce genre de 'matière' cruncherait sur elle même dans le vide. De façon assez contre intuitive, l'effet de ce champs de pression sur l'espace agit à la manière d'une constante cosmologique, c'est à dire un genre de gravitation répulsive.

Comme il s'agit d'un état du vide, c'est à dire de ce qui remplit l'espace, plus l'univers se dilate, plus il se crée d'espace, donc de faux vide : la densité d'énergie est constante. Dans ces conditions, la croissance du facteur d'échelle a en fonction du temps t (facteur d'échelle a c'est à dire n'importe quelle distance mesurée dans cet espace entre deux points au repos, sans mouvement propre) est proportionnelle au facteur d'échelle lui même, ce qui engendre une croissance foudroyante de toutes les distances. C'est à ce stade que l'on peut parler d'emprunt "sans remboursement" à la gravité, via l'expansion de l'espace.

Le facteur d'échelle correspondant à l'univers observable (la portion d'univers née de cette inflation et que nous pouvons explorer du regard) passe disons de la taille de Planck à 1 m en ~ 10^-34 s

La taux d'expansion est tel que tout le contenu de l'univers, particules préexistante dans la phase préinflationnaire ou créés au court de l'inflation se trouve considérablement diluée. L'univers est vide et froid, dominé par la densité constante de l'inflaton.

Phase 3 (préchauffage) : au bout d'un moment l'inflaton quitte son état métastable pour retrouver une valeur moyenne nulle dans le vide. Il arrivé en bas, à son potentiel minimum, et la transition de phase vers l'état d'énergie nulle induit que la densité d'énergie qui était la sienne est transféré aux autres champs : il se désintègre en photons.

Phase 4 (réchauffage) : la densité d'énergie est telle (~10⁹⁰ kg/m3) que les photons créés ont une énergie suffisante pour créer tout le bestiaire du modèle standard et au delà. Ces particules nouvellement crées se mettent à l'équilibre thermique. L'univers est chaud désormais.

Phase 5 (expansion) 'Big Bang' proprement dit : on entre alors dans le régime d'expansion classique, avec un plasma à l'équilibre thermique à 10²⁷ K qui se refroidit sous l'effet de l'expansion et par transitions de phase successives produit l'univers tel qu'on l'observe à l'issue de la phase radiative où on entre dans le domaine de l'observation directe, celui du fond radio cosmologique (CMB).


Le résultat de tout cela, c'est que le facteur d'échelle correspondant à l'univers observable (la portion d'univers née de cette inflation et que nous pouvons explorer du regard) passe disons de la taille de Planck soit ~ 10^-35m à 1 m en ~ 10^-34 s.

En gros pour l'inflation faut décaler les chiffres : l'univers est extraordinairement plus petit qu'une bille au début de l'ère inflationnaire, qui dure un temps extraordinairement bref pour aboutir à un univers disons métrique. C'est la courbe exponentielle ci dessous

Big_bang_inflation_vs_standard_genericchart.png

Ensuite, la croissance du facteur d'échelle (i.e. de la taille de l'Univers) est celle calculée par la Relativité Générale (Standard Theory) et ça correspond à la droite inclinée. Et au départ, c'est extrêmement rapide (mais incroyablement moins que l'ère inflationnaire) et en 1 s on passe de la taille métrique à celle du système solaire (10¹² m disons).

Le volume de l'Univers visible (délimité visuellement par la sphère du CMB centrée sur l'observateur) est dans cette hypothèse forme probablement une fraction minuscule de l'ensemble de l'espace né de l'inflation.

inflationhorizon.gif