entropie et cosmologie

[Niels Adribohr]

Bonjour,
1)Tout d'abord,je voudrais savoir si on peut appliquer la seconde loi de la thermodynamique à l'univers dans son ensemble, en considérant qu'il est un systeme isolé?

2)Voici deux aplications du concept d'entropie à la cosmologie, l'un par Brian Greene, l'autre par Joseph Silk.

-Brian Greene: Aux premiers instants de l'univers, l'entropie était extremement faible. Il était quasiment homogene, or dans nos expériences courantes, comme par exemple lorsqu'on laisse échapper un gaz dans une pièce, une répartition homogène du gaz dans la piece correspond à un état de haute entropie, mais cependant, dans cet exemple, la gravitation joue un role négligeable, contrairement aux premiers moments de l'univers dans lesquels la gravitation jouait un role considerable vue les densité énormes qui les caractérisaient. Lorque la gravitation joue un role important, un état homogène correspond bel et bien à une basse entropie. Depuis ces premiers moments de basse entropie, celle ci n'a fait qu'augmenter conformément à la seconde loi de la thermodynamique, et l'univers actuel possède une entropie bien plus grande que l'univers jeune. Les objets de l'univers possédant l'entropie maximale sont les trous noirs.

-Joseph Silk: Les objets possédant l'entropie maximales sont les corps noirs. Or, l'univers jeune et opaque, avant la recombinaison, était un corps noir presque parfait. Les premiers instants de l'univers possèdent donc une entropie extemement élever, et l'univers actuel qui contient des structures ordonnées tels que les galaxies et les étoiles possède une entropie beaucoup moins grande que lors de sa jeunesse. Quid de la seconde loi de la thermodynamique? Il propose que beaucoup d'entropie a été absorbé et non redistribuer par des trous noirs.

Visiblement, ces deux scientifiques (l'un est un spécialiste de la théorie des cordes et un vulgarisateur assez renommer et l'autre un astrophysicien) se contredisent, l'un disant carrément le contraire de l'autre! Alors qui a raison? L'entropie de l'univers actuel est elle plus basse ou plus haute que que celle du jeune univers? Sont-ce les trous noirs ou les corps noirs qui possèdent la plus haute entropie?

Merci d'avance pour vos réponses.
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[Thioclou]

Bonjour,

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-Joseph Silk: Les objets possédant l'entropie maximales sont les corps noirs. Or, l'univers jeune et opaque, avant la recombinaison, était un corps noir presque parfait.

Il me semble que l'Univers jeune avait plutot les propriétés d'un trou blanc...

[alain_r]

Il ne faut pas confondre entropie et densité d'entropie. L'entropie croît au cours du temps. Mais si l'univers est en expansion, la densité d'entropie peut décroître. C'est ce fait là qui permet à des structures évoluées de se former. S'il n'y avait pas d'expansion, pas de baisse d'entropie et pas de structures. Je pense que c'est la raison des deux textes en apparence contradictoires.

[Niels Adribohr]

Il ne faut pas confondre entropie et densité d'entropie. L'entropie croît au cours du temps. Mais si l'univers est en expansion, la densité d'entropie peut décroître. C'est ce fait là qui permet à des structures évoluées de se former. S'il n'y avait pas d'expansion, pas de baisse d'entropie et pas de structures. Je pense que c'est la raison des deux textes en apparence contradictoires.

Tel que j'ai compris le livre de Brian Greene, je pense qu'il sous-entendait aussi que la densité d'entropie actuelle est plus élevé que celle qu'elle était. Il utilise bien le meme raisonnement que tu as, mais en l'applicant à l'inflation, en disant que , effectivement, un univers qui connait une inflation aussi considérable que celle qu'a connu notre univers (enfin c'est ce que pense beaucoup de cosmologistes) aurait effectivement vu sa densité d'entropie fortement diminuer tout en augmentant son entropie totale. Il part d'ailleurs de ce principe pour tenter d'expliquer que le jeune univers avait une si basse entropie. Cependant, dans son raisonnement, je crois qu'il considere qu'apres l'inflation, l'expension de l'univers n'est pas assez rapide pour compenser l'augmentation de l'entropie. Je pense qu'il considere bel et bien que la densité de l'entropie était plus basse dans le passé qu'aujourd'hui. Il ne le dit pas explicitement, mais je ne crois pas me tromper dans mon interprétation de ses propos.

D'ailleurs, pour ceux que ça interesse, j'ai pris ces sources dans:
-Brian Greene. La magie du cosmos. De la vulgarisation tres accessible, mais cependant relativement profonde, idéale pour une premiere approche de la relativité restreinte & génerale, de la méca quantique , de la cosmologie, de la théorie des cordes, et tres agréables à lire.

-Joseph Silk: l'univers et l'infini. De la vulgarisation aussi, mais orientés exclusivement sur l'astrophysique. C'est beaucoup moins agréable à lire et moins clair (peut etre à cause de la traduction?), meme si ça reste interessant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Niels Adribohr]

Bonjour,

Il me semble que l'Univers jeune avait plutot les propriétés d'un trou blanc...

Bonjour,
Il me semble bien que le spectre du fond diffus cosmologique ( donc le spectre qu'avait l'univers lors de la recombinaison) est presque rigoureusement celui d'un corps noir.

[alain_r]

Tel que j'ai compris le livre de Brian Greene, je pense qu'il sous-entendait aussi que la densité d'entropie actuelle est plus élevé que celle qu'elle était. Il utilise bien le meme raisonnement que tu as, mais en l'applicant à l'inflation, en disant que , effectivement, un univers qui connait une inflation aussi considérable que celle qu'a connu notre univers (enfin c'est ce que pense beaucoup de cosmologistes) aurait effectivement vu sa densité d'entropie fortement diminuer tout en augmentant son entropie totale. Il part d'ailleurs de ce principe pour tenter d'expliquer que le jeune univers avait une si basse entropie. Cependant, dans son raisonnement, je crois qu'il considere qu'apres l'inflation, l'expension de l'univers n'est pas assez rapide pour compenser l'augmentation de l'entropie. Je pense qu'il considere bel et bien que la densité de l'entropie était plus basse dans le passé qu'aujourd'hui. Il ne le dit pas explicitement, mais je ne crois pas me tromper dans mon interprétation de ses propos.

D'ailleurs, pour ceux que ça interesse, j'ai pris ces sources dans:
-Brian Greene. La magie du cosmos. De la vulgarisation tres accessible, mais cependant relativement profonde, idéale pour une premiere approche de la relativité restreinte & génerale, de la méca quantique , de la cosmologie, de la théorie des cordes, et tres agréables à lire.

-Joseph Silk: l'univers et l'infini. De la vulgarisation aussi, mais orientés exclusivement sur l'astrophysique. C'est beaucoup moins agréable à lire et moins clair (peut etre à cause de la traduction?), meme si ça reste interessant.

Quand on a un corps noir, la densité d'entropie est proportionnelle au cube de la température. Si la température baisse, l'entropie aussi, et comme le volume augmente comme l'inverse du cube de la température, le produit volume x densité d'entropie est contant.

Maintenant, pendant la phase d;inflation, on n'est plus à l'équilibre thermique. L'expansion est très rapide, d'où baisse monstrueuse de la température. En pratique, pendant l'inflation il n'y a que le champ scalaire de l'inflation. Peut-on associer une entropie à ce truc ? Je ne sais pas. Si on ne prend pour l'entropie que celle de la radiation, alors elle est nulle, puissque la température est quasi nulle (un truc genre moins d'une particule par rayon de Hubble, et encore).

À l'issue de l'inflation, le champ scalaire se désintègre brutalement en en particules (c'est le "préchauffage", ou "preheating"), qui ensuite se thermalisent (c'est le "réchauffage", ou rehating). Dans cette phase, on passe d'une température nulle à une température correspondant à celle naturellement associée à la densité d'énergie en fin d'inflation, typiquement 10^16 à 10$14 GeV. Donc dans cette phase, la densité d'entropie augmente brutalement, pour ensuite baisser gentiment du fait de l'expansion jusqu'à aujourd'hui.

En résumé :
- avant l'inflation, on ne sait pas
- pendant l'inflation la densité d'entropie est nulle si on excepte une éventuelle contribution du champ responsable de l'inflation
- à l'issue de l'inflation, augmentation brutale de la densité d'entropie
- par la suite, baisse progressive comme le cube de la température

A priori, en prenant des bouts de ceci, on peut arriver à mettre tout le monde d'accord. Mais ce sont eux qui ne sont pas super clairs.

[Niels Adribohr]

Merci pour toutes ces précisions.