Big Bang et énergie du vide

[curieuxdetempsaautre]

Bonsoir les Scientifiques. En dirais que la théorie du Big Bang est admis presque a l’unanimité que je essaie d'imaginer visuellement, et puis certainement cette afflux d’énergie a cesser soudainement, sinon en aura des preuves que cette minuscule fluctuation quantique qui créa notre univers continue jaillir. alors je me demande pour quel raison cette énergie c'est arrête? ma deuxième question concerne l’énergie du vide, selon la physique classique elle est minimal 10−9J.m−3 par rapport a la physique quantique Il y a un facteur 10 puissance 120 entre les deux calculs de la densité d'énergie du vide !?? Merci de vos réponses
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[Pio2001]

Bonsoir les Scientifiques. En dirais que la théorie du Big Bang est admis presque a l’unanimité que je essaie d'imaginer visuellement, et puis certainement cette afflux d’énergie a cesser soudainement, sinon en aura des preuves que cette minuscule fluctuation quantique qui créa notre univers continue jaillir. alors je me demande pour quel raison cette énergie c'est arrête?

Bonjour curieuxdetempsaautre,
L'existence d'une fluctuation quantique à l'origine de l'univers est purement spéculative, et ne fait pas partie de la théorie du big bang proprement dite.

Ce que dit la théorie (et que l'on peut voir grâce à nos téléscopes), c'est que par la suite, l'espace a été en expansion jusqu'à aujourd'hui. Et que cette expansion a commencé à un certain moment dans le passé, il y a 13 milliards d'années.
Tout ce qui s'est passé entre ce moment et aujourd'hui est assez bien établi.

Mais ce qui s'est passé à ce moment précis, au tout début, reste un mystère total. On n'y était pas, on ne peut plus le voir aujourd'hui, et les énergies colossales en jeu nous sont complètement inconnues.

ma deuxième question concerne l’énergie du vide, selon la physique classique elle est minimal 10−9J.m−3 par rapport a la physique quantique Il y a un facteur 10 puissance 120 entre les deux calculs de la densité d'énergie du vide !?? Merci de vos réponses

En effet, c'est une énigme : on observe une accélération de l'expansion de l'espace au cours des derniers milliards d'années. On en déduit qu'il doit y avoir une énergie dans le vide qui en est la cause.
Cela concorde avec la mécanique quantique, qui nous dit qu'en effet, le vide est rempli d'une certaine quantité d'énergie. Tout s'explique !...

Sauf que si on fait le calcul, on trouve que l'énergie du vide est infiniment trop élevée pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers. Quelque chose cloche.

On cherche... Pour l'instant, on sèche !...

[curieuxdetempsaautre]

Merci Pio pour ta réponse. je me demande si il ya pas de relation entre la quantité de la matière et cette expansion accélérée, comme un verre déjà plein d'eaux qui déborde quand en rajoute des billes dedans?

[JPL]

Sauf que si on fait le calcul, on trouve que l'énergie du vide est infiniment trop élevée pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers. Quelque chose cloche.

On cherche... Pour l'instant, on sèche !...

Ou plus exactement que la valeur de l’énergie du vide calculée en physique quantique est totalement incompatible avec celle qui est déduite des observations en astrophysique, au point que cette divergence est catastrophique pour les physiciens.

[A voir en vidéo sur Futura]

[papy-alain]

Ou plus exactement que la valeur de l’énergie du vide calculée en physique quantique est totalement incompatible avec celle qui est déduite des observations en astrophysique, au point que cette divergence est catastrophique pour les physiciens.

C'est pour cette raison que je me demande si l'énergie noire est bien l'énergie du vide telle qu'on la conçoit, ou s'il s'agit au contraire d'un phénomène qui nous est encore totalement inconnu. Parce qu'un rapport de 1 à 10^120, c'est tout de même anormalement énorme.

[Pio2001]

Merci Pio pour ta réponse. je me demande si il ya pas de relation entre la quantité de la matière et cette expansion accélérée, comme un verre déjà plein d'eaux qui déborde quand en rajoute des billes dedans?

En effet, la quantité de matière par unité de volume gouverne la vitesse de l'expansion... mais toujours dans le sens d'un ralentissement, car toutes les masses s'attirent.

Pour que l'expansion accélère, il faut avoir quelque chose de spécial, qui ne soit pas de la matière ou de l'énergie. Faute de mieux on l'appelle "énergie noire", en attendant de découvrir ce que cela pourraît être. On sait juste que "ça" a une forme de masse.

A ne pas confondre avec la matière noire, qui, elle, bien qu'inconnue, est bien de la matière normale, qui attire les autres masses.

A priori, l'expansion qu'on observe actuellement correspondrait à la répartition suivante dans l'univers :

Matière ordinaire (étoiles, galaxies, planètes, nous...) : 5 %
Matière "noire" (particules ? Astres ? Rayonnement ? Autre chose ?) : 27 %
Energie noire (sorte de cousine éloigné de l'énergie du vide, jamais observée autrement que dans l'expansion de l'univers) : 68 %

[Gilgamesh]

Bonsoir les Scientifiques. En dirais que la théorie du Big Bang est admis presque a l’unanimité

Oui.

que je essaie d'imaginer visuellement, et puis certainement cette afflux d’énergie a cesser soudainement, sinon en aura des preuves que cette minuscule fluctuation quantique qui créa notre univers continue jaillir. alors je me demande pour quel raison cette énergie c'est arrête? ma deuxième question concerne l’énergie du vide, selon la physique classique elle est minimal 10−9J.m−3 par rapport a la physique quantique Il y a un facteur 10 puissance 120 entre les deux calculs de la densité d'énergie du vide !?? Merci de vos réponses

Pour te visualiser la chose, imagine un grand univers vide. Mais imagine que la valeur typique de densité d'énergie de ce vide soit très élevée, de l'ordre de la densité de Planck. C'est à dire la valeur théorique qu'il "devrait" avoir si on en croit la théorie quantique des champs.

Si on applique les équation de la relativité générale sur ce vide, alors il on trouve qu'il est en très violente inflation. L'énergie du vide a exactement le rôle qu'avait imaginé Einstein en introduisant la constante cosmologique. Juste que là, elle est sur-vitaminée. Le résultat est un multivers inflationnaire.

Il existe bien sûr un autre état possible pour le vide : le nôtre. Et l'évolution spontanée d'un système physique va toujours des hautes vers les basses énergies. Cette transition est un phénomène quantique et local : en chaque point du multivers inflationnaire, le vide s'effondre vers un état quelconque situé beaucoup plus bas.

Que devient l'énergie du vide ? Elle excite les champs de matière : là où le vide change d'état, il se remplit de matière. La matière a un l'effet inverse du vide sur l'expansion : le vide entretient l'expansion, la matière la freine. Le taux d'expansion qui était très élevé s'effondre. On obtient en définitive le scénario décrit par la théorie du Big Bang.

[invite554578cf]

Gilgamesh tu es un magicien. Ce ne serait pas, par hasard, la théorie de je ne sais plus qui (Alan Guth je crois ?) mais qui du coup, pour être crédible, doit supposer environ 10^500 univers dans le multivers (pour que nous ayons une chance raisonnable d'observer un état actuel d'aussi basse énergie par rapport au 10^120 fois plus théorisés) ?

Effectivement, cette explication me revient. Ce qui est drôle c'est que de la bouche de Brian Green -je pense que c'était dans une de ses émissions- je n'avais pas du tout été convaincu, mais dit par toi ça semble plus élégant !

[curieuxdetempsaautre]

Merci Gilgamesh je vais essayer digérer tout cela donc nous sommes dans une cocote minute ou a chaque fraction de seconde des bulles des milliards des univers se font et défont, dur dur

[Gilgamesh]

Gilgamesh tu es un magicien. Ce ne serait pas, par hasard, la théorie de je ne sais plus qui (Alan Guth je crois ?) mais qui du coup, pour être crédible, doit supposer environ 10^500 univers dans le multivers (pour que nous ayons une chance raisonnable d'observer un état actuel d'aussi basse énergie par rapport au 10^120 fois plus théorisés) ?

Effectivement, cette explication me revient. Ce qui est drôle c'est que de la bouche de Brian Green -je pense que c'était dans une de ses émissions- je n'avais pas du tout été convaincu, mais dit par toi ça semble plus élégant !

Oui, je reprend au plus près l'explication d'Alan Guth, qui est d'une clarté admirable.

Je ne saurais assez vous encourager à suivre une de ses master class ou carrément sont cycle de cours (29 épisodes !) au MIT disponible en version sous-titrée anglais sur YT. C'est en l'écoutant que pour la première fois j'ai eu enfin le sentiment de comprendre vraiment le Big Bang : ce n'est pas la théorie d'un "Bang" mais celle des conséquences de l'extinction brutale et localisée d'un "Bang" universel et perpétuel.

Et du coup, je dois bien reconnaître qu'il y a un réel problème de vulgarisation de la connexion de la théorie de l'inflation avec celle du Big Bang, même par des cosmologistes tout à fait sérieux.

Vous l'avez tous vu cette illustration (j'ai pris celle de wikipedia). Et je lis bien de gauche à droite : Big Bang PUIS inflation. C'est absolument inepte. Vous avez on ne sait pourquoi un Big Bang puis après un court instant >paf< inflation, puis ça s'arrête... Euh...

Alors que si vous avez inflation, puis changement de phase vers un état de basse énergie, c'est parfaitement compréhensible, y'a pas de "singularité", "début de temps" et "création d'énergie à partir de rien" ou je ne sais quel autre concept inintelligible.

[zebular]

On m'a toujours dit qu'un petit crobar valait mieux qu'une tonne d'explications..quel c..ce "on"
merci pour ce 1e-32 détail !!!

[invite554578cf]

En effet, rien que le positionnement de la fluctuation après le Big Bang, c'est puissant. Cette illu est faite avec les pattes arrières comme disait mon prof de physique

Ok Gilgamesh, merci, je vais jeter un oeil et une cervelle à tout ça, on verra ce qu'il en fera

[Pio2001]

Vous l'avez tous vu cette illustration (j'ai pris celle de wikipedia). Et je lis bien de gauche à droite : Big Bang PUIS inflation. C'est absolument inepte. Vous avez on ne sait pourquoi un Big Bang puis après un court instant >paf< inflation, puis ça s'arrête... Euh...

Ce n'est pas inepte. Cela correspond à la théorie de l'inflation telle qu'elle est décrite en 2002 par Séguin et Villeneuve dans Astronomie et Astrophysique et aussi par Comins en 2015 (A la découverte de l'univers).

Séguin et Villeneuve la décrivent de la façon suivante : au-dessus d'une certaine température, d'environ 10^26 K, les propriétés du vide ne sont pas les mêmes que celles que l'on connaît. Le vide est alors extrêmement massif et possède une masse volumique d'environ 10^77 kg/m3. On l'appelle le vide unifié.

A l'instant de Planck (10^-43 s après le point zéro imaginaire de l'échelle des temps), l'expansion de l'espace démarre avec un vide unifié de masse volumique 10^77 kg/m3, toutefois, la masse volumique de la matière, 10^93 kg/m3 domine de beaucoup la masse volumique du vide.
A cet instant, le taux d'expansion de l'espace est incroyablement élevé : 10^61 (km/s)/Mpc. Mais l'expansion de l'espace fait rapidement chuter la masse volumique et le taux d'expansion.

Je cite leur livre, page 424 :

La phase d'expansion normale dure aussi longtemps que la contribution du vide demeure négligeable. Toutefois, 10^-33 seconde après l'instant de Planck, l'expansion de l'espace a tellement dilué la matière que la masse volumique du vide devient la composante dominante de la masse volumique de l'univers. Dès lors, même si l'espace est en expansion, la masse volumique de l'univers ne diminue plus. D'après la théorie, le vide massif est indiluable : si on étire un vide dont la masse volumique est de 10^77 kg/m3, on se retrouve avec plus de vide, bien que sa masse volumique soit encore de 10^77 kg/m3. Ainsi, à partir de 10^-33 seconde, la masse volumique de l'univers reste bloquée à la valeur énorme de 10^77 kg/m3 [...] ce qui signifie que le facteur d'échelle double tous les 10^-34 s.

Mais l'inflation entraîne rapidement une diminution de température de l'univers, qui plonge bien au-dessous de 10^26 K. Le vide unifié cède alors la place au vide actuel, dont la masse volumique est de 3 masses du proton par mètre cube dans le modèle standard.

Le vide massif unifié se transforme en vide actuel de masse volumique presque nulle en libérant l'équivalent de sa masse volumique en quarks, électrons, photons etc., bref, en libérant toutes les particules qui existent dans le vide que nous connaissons aujourd'hui. Cet épisode s'appelle le réchauffement postinflationniste, car l'agitation thermique des particules nouvellement créées donne lieu à une température pratiquement aussi élevée que celle d'avant le début de l'inflation. L'expansion normale reprend, mais ce sont les photons qui dominent.

C'est pourquoi on a bien une expansion normale entre l'instant de Planck et le début de l'inflation (la matière domine le vide unifié massif), puis la phase d'inflation (le vide unifié massif domine), puis à nouveau une expansion normale (la température est trop basse pour que le vide soit unifié).

Comins n'explique pas tous ces détails, mais il donne une chronologie analogue, avec une température limite de 10^27 K, un démarrage de l'inflation à 10^-36 s, jusqu'à 10^-33 s.

Alors que si vous avez inflation, puis changement de phase vers un état de basse énergie, c'est parfaitement compréhensible, y'a pas de "singularité", "début de temps" et "création d'énergie à partir de rien" ou je ne sais quel autre concept inintelligible.

La singularité n'existe pas dans ce modèle, en effet. On décrit ce qui se passe après l'instant de Planck, qui se situe 10^-43 secondes après le point zéro de l'échelle, où se trouverait une singularité si on supposait que l'expansion de l'espace y avait eu lieu. Mais avant l'instant de Planck, tout indique que l'espace n'obéissait pas aux équations de la RG.

[Gilgamesh]

Merci Pio c'est la première fois que je lis cette description.

Ce qui reste obscur pour moi :

1/ je ne vois pas bien comment donner une température au vide. Ni comment la température qui est une propriété de la matière peut changer l'état du vide.

2/ si la matière domine alors elle ralentit l'expansion et il faut donc rajouter "à la main" un taux d'expansion initial extrêmement vigoureux. Alors que dans le scénario proposé par Guth, le taux d'expansion est très élevé parce que le vide domine

3/ d'où vient la matière ? Il faut là encore la mettre à la main, alors que dans le scénario proposé par Guth elle vient simplement de la décroissance du vide

[Pio2001]

J'ignore la réponse à ces questions.

1/ je ne vois pas bien comment donner une température au vide. Ni comment la température qui est une propriété de la matière peut changer l'état du vide.

Je citerai Roger Penrose (A la Découverte des Lois de l'Univers, 2004) :

Pour que cette période inflationnaire joue son rôle, il est nécessaire d'introduire un nouveau champ scalaire phi dans le zoo des particules / champs physiques déjà connus (ou conjecturés). Autant que je sache, ce champ phi n'est relié à aucun des autres champs de la physique des particules, et n'est introduit que dans le but de munir l'univers primordial d'une phase inflationnaire.

C'est également ce qu'indique Wikipedia aujourd'hui.

2/ si la matière domine alors elle ralentit l'expansion et il faut donc rajouter "à la main" un taux d'expansion initial extrêmement vigoureux. Alors que dans le scénario proposé par Guth, le taux d'expansion est très élevé parce que le vide domine

C'est la même chose. Matière ou vide, dans les deux cas, cela se traduit par une masse volumique, qui à son tour, gouverne l'expansion de l'espace.

3/ d'où vient la matière ? Il faut là encore la mettre à la main, alors que dans le scénario proposé par Guth elle vient simplement de la décroissance du vide

...si toutefois le scénario proposé par Guth diffère de celui que j'ai décrit, car je n'ai jamais vu que ce dernier, même dans les premiers articles de Ciel et Espace qui en parlaient dans les années 1990. Je veux dire par là que l'inflation était déjà décrite comme une phase transitoire qui prend place entre deux phases d'expansion "normale"... C'est la première fois que je vois écrit que l'inflation était déjà en cours à l'instant de Planck.

Roger Penrose montre aussi ce même modèle dans son livre, avec une phase d'inflation entre deux phases d'expansion. Il commente à ce sujet :

J'ai représenté sur la figure 28.12 le genre de résumé de l'histoire des tout premiers instants de l'univers que l'on rencontre fréquemment, et qui est aujourd'hui devenu quasiment "standard". [...] A mon avis, même s'il est souvent présenté comme un fait presque établi, ce dessin doit être considéré comme tout à fait spéculatif jusqu'à environ 1/10 de seconde (et certainement 10^-30) !

[invite554578cf]

Ce n'est pas inepte. Cela correspond à la théorie de l'inflation telle qu'elle est décrite en 2002 par Séguin et Villeneuve dans Astronomie et Astrophysique et aussi par Comins en 2015 (A la découverte de l'univers).

Séguin et Villeneuve la décrivent de la façon suivante : au-dessus d'une certaine température, d'environ 10^26 K, les propriétés du vide ne sont pas les mêmes que celles que l'on connaît. Le vide est alors extrêmement massif et possède une masse volumique d'environ 10^77 kg/m3. On l'appelle le vide unifié.

A l'instant de Planck (10^-43 s après le point zéro imaginaire de l'échelle des temps), l'expansion de l'espace démarre avec un vide unifié de masse volumique 10^77 kg/m3, toutefois, la masse volumique de la matière, 10^93 kg/m3 domine de beaucoup la masse volumique du vide.
A cet instant, le taux d'expansion de l'espace est incroyablement élevé : 10^61 (km/s)/Mpc. Mais l'expansion de l'espace fait rapidement chuter la masse volumique et le taux d'expansion.

Je cite leur livre, page 424 :



Mais l'inflation entraîne rapidement une diminution de température de l'univers, qui plonge bien au-dessous de 10^26 K. Le vide unifié cède alors la place au vide actuel, dont la masse volumique est de 3 masses du proton par mètre cube dans le modèle standard.



C'est pourquoi on a bien une expansion normale entre l'instant de Planck et le début de l'inflation (la matière domine le vide unifié massif), puis la phase d'inflation (le vide unifié massif domine), puis à nouveau une expansion normale (la température est trop basse pour que le vide soit unifié).

Comins n'explique pas tous ces détails, mais il donne une chronologie analogue, avec une température limite de 10^27 K, un démarrage de l'inflation à 10^-36 s, jusqu'à 10^-33 s.



La singularité n'existe pas dans ce modèle, en effet. On décrit ce qui se passe après l'instant de Planck, qui se situe 10^-43 secondes après le point zéro de l'échelle, où se trouverait une singularité si on supposait que l'expansion de l'espace y avait eu lieu. Mais avant l'instant de Planck, tout indique que l'espace n'obéissait pas aux équations de la RG.

C'est vrai que cette théorie là possède un gros avantage : ne tirant pas l'origine (terme affreux et faux, mais faute de mieux... source ?) du Big Bang de la fluctuation quantique elle évite l'écueil qui me dérange beaucoup : présupposer que l'absence d'espace et de temps est équivalent aux propriétés du vide issu (plus tard) de cet espace-temps, ou étant l'espace-temps lui même. Donc là en effet, c'est mieux, par contre, ce Big Bang, il vient d'ou, un effet tunnel de ouf ? C'est pas si mal, c'est vrai.

[Gilgamesh]

J'ignore la réponse à ces questions.



Je citerai Roger Penrose (A la Découverte des Lois de l'Univers, 2004) :

Pour que cette période inflationnaire joue son rôle, il est nécessaire d'introduire un nouveau champ scalaire phi dans le zoo des particules / champs physiques déjà connus (ou conjecturés). Autant que je sache, ce champ phi n'est relié à aucun des autres champs de la physique des particules, et n'est introduit que dans le but de munir l'univers primordial d'une phase inflationnaire.

C'est également ce qu'indique Wikipedia aujourd'hui.

Oui, pas de soucis dans tous les scénario il y un champ scalaire, et en général on lui donne un potentiel en chapeau mexicain comme pour le champs de Higgs (d'ailleurs pour au moins une théorie d'inflation, c'est le champs de Higgs). Mais c'est vide quand même : il n'y a pas de particules réelles, et je ne vois pas comment on peut parler de température sans particules.

Bon, je pense ceci dit que ça peut se comprendre comme un abus de langage pour traduire le niveau d'énergie du milieu.

C'est la même chose. Matière ou vide, dans les deux cas, cela se traduit par une masse volumique, qui à son tour, gouverne l'expansion de l'espace.

Non, justement ce n'est pas la même chose. Un vide énergétique est "en tension" c'st à dire que sa pression est négative, et ça provoque une expansion de l'espace. Quand on a des particules de matières, celles ci exerce une pression positive et ça provoque la décroissance du taux d'expansion (voir la 2e équation de Friedmann)

...si toutefois le scénario proposé par Guth diffère de celui que j'ai décrit, car je n'ai jamais vu que ce dernier, même dans les premiers articles de Ciel et Espace qui en parlaient dans les années 1990. Je veux dire par là que l'inflation était déjà décrite comme une phase transitoire qui prend place entre deux phases d'expansion "normale"... C'est la première fois que je vois écrit que l'inflation était déjà en cours à l'instant de Planck.

Roger Penrose montre aussi ce même modèle dans son livre, avec une phase d'inflation entre deux phases d'expansion. Il commente à ce sujet :

J'ai représenté sur la figure 28.12 le genre de résumé de l'histoire des tout premiers instants de l'univers que l'on rencontre fréquemment, et qui est aujourd'hui devenu quasiment "standard". [...] A mon avis, même s'il est souvent présenté comme un fait presque établi, ce dessin doit être considéré comme tout à fait spéculatif jusqu'à environ 1/10 de seconde (et certainement 10^-30) !

Alors je te conseille vraiment de lire directement les cours/écrit de Guth à ce sujet.

Par exemple cette page
https://www.edge.org/conversation/al...onary-universe

Traduction Google trad un peu améliorée :


La théorie de l'inflation est en soi une modification de la théorie conventionnelle du Big Bang. L’inconvénient que l’inflation est censée combler est le fait fondamental que, bien que la théorie du Big Bang soit appelée le Big Bang, elle n’est en réalité pas vraiment une théorie du bang; ça ne l'a jamais été. La théorie conventionnelle du Big Bang, sans inflation, n’était en réalité qu’une théorie des séquelles du Bang. Cela a commencé quand toute la matière de l'univers était déjà en place, en pleine expansion, déjà incroyablement chaude. Il n'y avait aucune explication de la façon dont on aboutit à cet état. L’inflation est une tentative de répondre à cette question, de dire ce qui a «fait bang» et ce qui a conduit l’univers à entrer dans cette période d'expansion. L'inflation fait cela merveilleusement. Cela explique non seulement ce qui a provoqué l'expansion de l'univers, mais aussi l'origine de pratiquement toute la matière de l'univers en même temps. Je qualifie cela de «essentiellement» parce que, dans une version typique de la théorie, l’inflation nécessite environ un gramme de matière pour commencer. L’inflation n’est donc pas une théorie du début ultime, mais une théorie de l’évolution qui explique essentiellement tout ce que nous voyons autour de nous, à partir de presque rien.

L’idée de base de l’inflation est qu’une forme de pesanteur répulsive a entraîné l’extension de l’univers. La relativité générale dès ses débuts a prédit la possibilité d’une gravité répulsive; dans le contexte de la relativité générale, vous avez essentiellement besoin d'un matériau soumis à une pression négative pour créer une gravité répulsive. Selon la relativité générale, ce ne sont pas seulement les densités de matière ou les densités d'énergie qui créent des champs gravitationnels; c'est aussi des pressions. Une pression positive crée un champ de gravitation attractif normal du type auquel nous sommes habitués, mais une pression négative créerait une sorte de gravité répulsive. Il s'avère également que, selon les théories modernes sur les particules, les matériaux soumis à une pression négative sont faciles à construire à partir de champs existants selon ces théories. En réunissant ces deux idées - le fait que la physique des particules nous donne des états avec des pressions négatives et que la relativité générale nous dit que ces états provoquent une répulsion gravitationnelle - nous atteignons l’origine de la théorie de l'inflation.

En répondant à la question de savoir ce qui a conduit l'univers à l'expansion, la théorie de l'inflation peut également nous permettre de comprendre certaines caractéristiques de cette expansion qui seraient autrement très mystérieuses. Il existe deux propriétés très importantes de notre univers observé que la théorie du Big Bang n’a jamais vraiment expliquées; ils faisaient simplement partie des hypothèses sur les conditions initiales. L'un d'eux est l'uniformité de l'univers - le fait qu'il soit identique partout, peu importe votre apparence, tant que vous faites la moyenne sur des volumes suffisamment importants. C'est à la fois isotrope, signifiant la même dans toutes les directions, et homogène, signifiant la même dans tous les lieux. La théorie conventionnelle du Big Bang n’a jamais vraiment eu d’explication à cela; il fallait juste l'assumer dès le départ. Le problème est que, bien que nous sachions que tout ensemble d'objets atteindra une température uniforme s'il est autorisé à rester assis longtemps, l'univers primitif a évolué si rapidement qu'il n'y avait pas assez de temps pour que cela se produise. Pour expliquer, par exemple, comment l’univers aurait pu se lisser pour atteindre l’uniformité de température que nous observons aujourd’hui dans le rayonnement de fond cosmique, on trouve que, dans le contexte de la théorie standard du Big Bang, il serait nécessaire que l’énergie et informations à transmettre à travers l'univers à une centaine de fois la vitesse de la lumière.

Dans la théorie de l'inflation, ce problème disparaît complètement, car contrairement à la théorie conventionnelle, il postule une période d'expansion accélérée pendant que cette gravité répulsive agit. Cela signifie que si nous suivons notre univers à reculons dans le temps, en utilisant la théorie de l'inflation, nous voyons qu'il a commencé avec quelque chose de beaucoup plus petit que vous n'auriez pu l'imaginer dans le contexte de la cosmologie conventionnelle sans inflation. Alors que la région qui allait devenir notre univers était incroyablement petite, elle avait tout le temps d’atteindre une température uniforme, comme si une tasse de café assise sur la table refroidissait à la température ambiante. Une fois que cette uniformité est établie à cette échelle minime par les processus normaux d'équilibre thermique - et je parle maintenant de quelque chose qui est environ un milliard de fois plus petit que la taille d'un seul proton - l'inflation peut prendre le dessus et provoquer l'expansion de cette petite région rapidement et devenir suffisamment grand pour englober tout l'univers visible. La théorie de l'inflation permet non seulement que l’univers soit uniforme, mais nous explique également pourquoi il est uniforme: il est uniforme parce qu’il provient de quelque chose qui a eu le temps de le devenir et a ensuite été mis à rude épreuve par le processus d’inflation.

La deuxième caractéristique particulière de notre univers, que l’inflation explique merveilleusement, et pour laquelle il n’a jamais été donné d'explication auparavant, est la platitude de l’univers - le fait que la géométrie de l’univers est si proche de l’Euclidien. Dans le contexte de la relativité, la géométrie euclidienne n’est pas la norme; c'est une bizarrerie. Avec la relativité générale, l’espace courbe est le cas générique. Dans le cas de l'univers dans son ensemble, une fois que nous supposons que l'univers est homogène et isotrope, alors cette question de platitude devient directement liée à la relation entre la densité de masse et le taux d'expansion de l'univers. Une densité de masse importante ferait que l'espace se courbe en un univers fermé en forme de sphere; si la densité de masse dominait, l'univers serait un espace fermé avec un volume fini et sans bord. Si un vaisseau spatial parcourait ce qu'il pensait être une ligne droite sur une distance suffisante, il finirait par son point de départ. Dans le cas contraire, si l'expansion dominait, l'univers serait géométriquement ouvert. Les espaces géométriquement ouverts ont les propriétés géométriques opposées des espaces fermés. Ils sont infinis. Dans un espace fermé, deux lignes parallèles vont commencer à converger; dans un espace ouvert, deux lignes parallèles vont commencer à diverger. Dans les deux cas, ce que vous voyez est très différent de la géométrie euclidienne. Cependant, si la densité de masse est juste à la limite de ces deux cas, alors la géométrie est euclidienne, comme nous l’avons tous appris au lycée.

En termes d'évolution de l'univers, le fait que l'univers soit au moins approximativement plat aujourd'hui exige que l'univers primitif soit extraordinairement plat. L’univers tend à s’éloigner de la platitude, alors, même si nous savions ce que nous savions il ya dix ou vingt ans - nous savons mieux maintenant que l’univers est extraordinairement proche de la platitude - nous aurions pu extrapoler à l’arrière et découvrir que, par exemple, en une seconde après le Big Bang, la densité de masse de l'univers devait être égale, avec une précision de 15 décimales, à la densité critique où elle contrebalançait le taux d'expansion pour produire un univers plat. La théorie conventionnelle du Big Bang ne nous donnait aucune raison de croire qu'il existait un mécanisme pour produire cela, mais il devait en être ainsi pour expliquer pourquoi l'univers a l'apparence qu'il a aujourd'hui. La théorie conventionnelle du Big Bang sans inflation ne fonctionnait vraiment que si vous y introduisiez les conditions initiales, qui étaient très finement ajustées pour rendre juste la création d’un univers comme celui que nous voyons. La théorie inflationniste contourne ce problème de platitude, car l'inflation modifie l'évolution de la géométrie de l'univers avec le temps. Même si l'univers s'éloigne toujours de la platitude à toutes les autres périodes de son histoire, au cours de la période inflationniste, il est incroyablement rapidement entraîné vers la platitude. Si vous aviez environ 10-34 secondes d'inflation au début de l'univers, vous avez tout ce dont vous avez besoin pour pouvoir commencer avec un facteur de 10-5 ou 10-10 équivalent à celui d'être à plat. L’inflation aurait alors amené l’univers à se stabiliser suffisamment pour expliquer ce que nous voyons aujourd’hui.

[Pio2001]

Merci Gilgamesh.

Je ne vois là rien qui contredise le diagramme en cloche de Wikipedia, ni le modèle présenté par Séguin et Villeneuve, Comins ou Penrose.

Mais c'est vide quand même : il n'y a pas de particules réelles, et je ne vois pas comment on peut parler de température sans particules.

Dans le modèle décrit chez Séguin et Villeneuve, ce n'est pas vide, c'est rempli de matière ordinaire. Il y a des explications et des diagrammes que je n'ai pas recopiés.

Ils indiquent qu'entre 10^-43 et 10^-33 secondes, c'est rempli de matière à un point que l'énergie du vide unifié est négligeable en comparaison.
Puis l'expansion de l'espace dilue la matière jusqu'à ce que le vide unifié domine. C'est ça qui déclenche le début de l'inflation.
Ils parlent ensuite d'un phénomène analogue à la surfusion, où la transition de phase entre le vide unifié et le vide ordinaire est retardée : la température tombe presque à 0 K, mais l'inflation se poursuit quand même de façon instable pendant une durée impossible à estimer, d'où une grande incertitude sur la dilatation que l'inflation a provoquée effectivement.
Ensuite, le vide unifié se "désintègre" enfin, et les particules que nous connaissons apparaissent dans le vide que nous connaissons. C'est la fin de l'inflation.

2/ si la matière domine alors elle ralentit l'expansion et il faut donc rajouter "à la main" un taux d'expansion initial extrêmement vigoureux. Alors que dans le scénario proposé par Guth, le taux d'expansion est très élevé parce que le vide domine

Dans une version où tout commence avec l'inflation, comment explique-t-on que l'inflation prenne fin ? S'il faut définir pour cela un potentiel en chapeau mexicain, cela représente plein de paramètres à ajuster de façon ad hoc : hauteur du pic central, largeur du chapeau, présence d'une remontée.

Dans la description que j'ai, il y a une justification physique à cette transition : le vide est de type unifié parce que l'énergie des particules de matière est telle que leurs interactions sont décrites par une théorie de grande unification qui doit unifier la force électrofaible avec la force nucléaire forte. On conjecture que cette grande unification se produit lorsque la température atteint 10^26 K. Or, dans le passé de l'univers, 10^-33 secondes après le big bang, cette température était dépassée partout. On est donc dans le domaine d'énergie où ces trois forces ne font qu'une. Cette force unifiée se décrirait dans un vide différent du vide que nous connaissons.
Pour des températures plus faibles, la force nucléaire forte se dissocie de la force électrofaible. Cela explique la transition entre le vide unifié et le vide ordinaire, et donc justifie que l'inflation prenne fin.

3/ d'où vient la matière ? Il faut là encore la mettre à la main, alors que dans le scénario proposé par Guth elle vient simplement de la décroissance du vide

La poule et l'oeuf... si la matière vient de la décroissance du vide, alors d'où vient le vide, etc.

Si j'ai bien compris, la limite de notre compréhension, c'est le mur de Planck.

La matière d'aujourd'hui vient de la décroissance, ou désintégration, du vide unifié, ou "faux vide" comme disent plus souvent d'autres traducteurs. Ce faux vide vient de la présence d'une matière antérieure, de température supérieure à la température de grande unification, sans quoi il n'y aurait qu'un "vrai" vide, incapable de déclencher une inflation.

Et cela implique à son tour que si on remonte dans le passé dans le processus inflationnaire, la matière en question va forcément atteindre une concentration telle que ses effets gravitationnels domineront ceux du vide unifié.

La masse volumique associée au vide unifiée étant de 10^77 kg/m3 (pendant toute la durée de l'inflation) et la masse volumique de Planck étant de 10^93 kg/m3 (limite ultime de l'expansion de l'univers, mur de Planck), cela laisse une large gamme de masses volumiques entre les deux, correspondant à une phase d'expansion classique très courte où la force répulsive du vide unifié est présente, mais plus petite que la force attractive de la matière, dont la masse volumique était comprise entre la masse volumique du vide unifié et la masse volumique de Planck.
Sur l'échelle de temps, cela correspond à l'intervalle entre 10^-43 s, le temps de Planck, et 10^-36 s (Comins) ou 10^-33 s (Séguin et Villeneuve), instant où la matière devient trop diluée pour contrecarrer l'inflation, qui démarre alors.

[Gilgamesh]

Ok, le soucis reste donc bien pour moi :

1/ qu'il y a de la matière dans la phase pré-inflationnaire et qu'il faut bien expliquer sa provenance, par exemple par l'effondrement d'un univers antérieur et globalement pour moi on creuse un trou pour en reboucher un autre.

2/ que l'univers est en expansion alors que la matière domine, ce qui implique de mettre à la main un taux d'expansion au départ... alors que pour expliquer des densité "planckienne" initiale, il faut plutôt imaginer un univers qui s'effondre.

Le vide permet de mettre fin au problème de la poule et l’œuf, grâce à ce que Guth appelle les deux miracles de la Physique :

1) le premier on l'a vu c'est que contrairement à la matière qui s'effondre en l'absence d'expansion, le vide rentre spontanément en inflation. C'est un des plus vieux résultat de la cosmologie théorique : l'univers de De Sitter, avec un taux d'expansion H en racine de Λ et un facteur d'échelle a ~ exp(Ht). Si Λ est très élevé alors H l'est aussi et on a donc une inflation très vigoureuse.

Alors évidemment, postuler que le vide puisse acquérir une telle énergie c'est exigeant, mais le point est que c'est ce que prédit la théorie quantique des champs. On est même bien embêté avec ce désaccord avec la réalité. Mais du coup, ça nous offre le Big Bang sur un plateau. Et pas qu'un... Ce qui permet de résoudre également le pb du fine tuning du niveau résiduel du vide par l'argument de sélection anthropique. Si le Big Bang est un événement unique, l'argument ne fonctionne pas. Mais s'il y a virtuellement une infinité de Big Bang qui se produisent dans le Multivers alors nous vivons simplement dans celui qui autorise la formation de grandes structures et in fine d'un observateur.

2) le second miracle a des origines encore plus vénérables puisque ça nous fait remonter jusqu'à Newton. Cela concerne le signe du potentiel d'un champs de gravité : il est négatif. Ce qui signifie que si j'agrandis le volume où règne un certain champs de gravité (lié à la densité d'énergie ρ), l'énergie gravitationnelle diminue, devenant de plus en plus négative. Et le point est que quand je compare ça avec l'énergie nécessaire pour créer le même volume de vide de densité ρ, le bilan est nul.

Explications ici (en anglais) : https://www.youtube.com/watch?v=VYIkke-X6sE

Et c'est là que ça devient vraiment intéressant, puisqu'il n'y a plus besoin de "creuser un trou" pour fournir toute l'énergie nécessaire à la création d'un grand univers de 10⁹⁰ particules. Le vide en s'accroissant crée de l'énergie, et cette création est compensée par le champs de gravité.

Ensuite le vide décroit jusqu'au niveau d'énergie actuel, et son énergie est alors investie dans les champs de matière. On obtient alors un milieu extraordinairement chaud et dense qui désormais domine la dynamique. L'inflation laisse la place à une expansion classique. Mais dans l'affaire, on vient de créer un grand univers sans avoir besoin de rien au départ Et ça c'est quand même un élément clé d'acceptation du modèle. Il explique la matière !

Pourquoi le vide décroit il ? Simplement parce qu'il possède différent niveau d'énergie, et que l'évolution spontanée d'un système lui fait rejoindre les états de plus basse énergie.

Et comment le vide a t'il pu rejoindre un état de haute énergie ? Simplement par fluctuations quantiques successives, suivie d'un genre de sélection des grandes valeurs par le fait qu'elle produisent plus de volume spatial par unité de temps. Si on prend le Multivers dans son entier, les espaces peuplés d'un vide de très haute énergie vont dominer simplement parce qu'il produisent plus d'espace et en quelque sorte s'auto-engendre plus efficacement que les vides anémiques. Ces vides restent instables et ne cesse de s'effondrer mais tandis qu'ils décroissent ils continuent de s'étendre et la décroissance est un phénomène quantique avec des fluctuations qui peuvent aller à la hausse comme à la baisse de façon aléatoire. Et un petit calcul montre qu'il est très facile d'obtenir que dans un des volumes de Hubble engendrés par le vide en inflation en train de décroître on en ait au moins un dont la valeur fluctue jusqu'à une valeur supérieure ou égale au volume parent, ce qui reconduit le phénomène et le rend virtuellement éternel.

[Pio2001]

Alors évidemment, postuler que le vide puisse acquérir une telle énergie c'est exigeant, mais le point est que c'est ce que prédit la théorie quantique des champs.

Oui et non... il faut tout de même postuler l'existence d'un champ inconnu avec une particule inconnue, l'inflaton.
Mais en effet, cette hypothèse supplémentaire permet d'en supprimer d'autres (homogénéité à grande échelle, platitude, absence de monopôles magnétiques).

Le vide permet de mettre fin au problème de la poule et l'oeuf

C'est peut-être un peu exagéré.
Personnellement, je trouve plus satisfaisant, intellectuellement, de buter sur un mur de connaissances. Cela me paraît crédible : on sait voir usqu'à un certain point, et après on ne sait pas.
Dire que le champ d'inflation résoud tout, c'est un peu comme affirmer "au début était le vide, et il n'y a pas besoin d'expliquer pourquoi, car c'est ainsi que tout a commencé". Ca fait un peu créationniste.

Pour moi c'est normal qu'il y ait un problème d'oeuf et de poule. Ce serait étonnant, et même suspect, qu'on y apporte une réponse définitive.
Je pense plutôt qu'on trouvera l'ancêtre des poules, puis l'ancêtre de cet ancêtre, et ainsi de suite jusqu'à l'infini.

[Gilgamesh]

C'est peut-être un peu exagéré.
Personnellement, je trouve plus satisfaisant, intellectuellement, de buter sur un mur de connaissances.

Ça c'est curieux quand même. La science ne dit jamais "ignorabimus".

Mais je crois que c'est un peu l'origine cachée du "mur de Planck" (et j'avoue que ça m'agace un peu)

Cela me paraît crédible : on sait voir usqu'à un certain point, et après on ne sait pas.
Dire que le champ d'inflation résoud tout, c'est un peu comme affirmer "au début était le vide, et il n'y a pas besoin d'expliquer pourquoi, car c'est ainsi que tout a commencé". Ca fait un peu créationniste.

Pour moi c'est normal qu'il y ait un problème d'oeuf et de poule. Ce serait étonnant, et même suspect, qu'on y apporte une réponse définitive.
Je pense plutôt qu'on trouvera l'ancêtre des poules, puis l'ancêtre de cet ancêtre, et ainsi de suite jusqu'à l'infini.

Il n'est pas question de dire que l'inflation résout tout, mais qu'elle permet de concevoir la création d'un grand univers sans disposer d'un budget énergétique au départ. C'est à mon sens un pas de géant qui est franchit, mais il reste un très grand nombre d'énigme extrêmement profondes en suspend : qu'est ce qu'un champs quantique, par quel mécanisme agissent ils sur la géométrie de l'espace-temps, etc. Et sur la question de l'origine de Tout, la question de l'origine du Multivers lui-même (donc de l'ancêtre de l'univers si tu veux) reste complètement ouverte.

[curieuxdetempsaautre]

une question qui me vient a l'esprit. en peux calculer l’énergie du vide grâce la la théorie de relativité en déduction de masse d'un objet stellaire sur d'autres objets et le vide ou c'est simplement pour la force de gravitation? merci

[Gilgamesh]

une question qui me vient a l'esprit. en peux calculer l’énergie du vide grâce la la théorie de relativité en déduction de masse d'un objet stellaire sur d'autres objets et le vide ou c'est simplement pour la force de gravitation? merci

On ne peut pas calculer l'énergie du vide (dans le sens qu'on en donne aujourd'hui qui est celle d'une constante cosmologique).

On peut essayer de s'en faire une idée avec la théorie quantique des champs en additionnant tous les modes d'un champ pour voir et en prenant la fréquence de Planck comme fréquence de coupure (sinon on a une catastrophe ultraviolette et le résultat est infini) et ça donne une densité de Planck ce qui est exorbitant. En faisant intervenir la supersymétrie on améliore le résultat mais il reste extraordinairement élevé, et on n'a pas aujourd'hui de formalisme permettant de calculer proprement l'énergie du vide. Assez logiquement, on peut se dire qu'on ne saura le faire que quand on connaîtra toutes les particules existantes, jusqu'à la masse de Planck. C'est pas pour tout de suite a priori.

[invite554578cf]

On ne peut pas calculer l'énergie du vide (dans le sens qu'on en donne aujourd'hui qui est celle d'une constante cosmologique).

On peut essayer de s'en faire une idée avec la théorie quantique des champs en additionnant tous les modes d'un champ pour voir et en prenant la fréquence de Planck comme fréquence de coupure (sinon on a une catastrophe ultraviolette et le résultat est infini) et ça donne une densité de Planck ce qui est exorbitant. En faisant intervenir la supersymétrie on améliore le résultat mais il reste extraordinairement élevé, et on n'a pas aujourd'hui de formalisme permettant de calculer proprement l'énergie du vide. Assez logiquement, on peut se dire qu'on ne saura le faire que quand on connaîtra toutes les particules existantes, jusqu'à la masse de Planck. C'est pas pour tout de suite a priori.

Est-ce qu'on connaît sa température, au vide quantique ? a-t-il une température théorique ou mesurée (je rêve bien sûr), comme une sorte de température de Planck, mais minimale ?

[Gilgamesh]

Est-ce qu'on connaît sa température, au vide quantique ? a-t-il une température théorique ou mesurée (je rêve bien sûr), comme une sorte de température de Planck, mais minimale ?

La température représente l'énergie cinétique des particules d'un gaz à l'équilibre thermodynamique. Vide signifie qu'il n'y a pas de particules (autres que virtuelles), donc à mon sens pas de température.

[invite554578cf]

La température représente l'énergie cinétique des particules d'un gaz à l'équilibre thermodynamique. Vide signifie qu'il n'y a pas de particules (autres que virtuelles), donc à mon sens pas de température.

Je comprends bien, je parlais justement de la température "virtuelle". Je sais que la question n'est pas courante (je n'ai rien trouvé là-dessus) et je ne sais pas si elle est pertinente, mais elle s'inscrit dans une réflexion plus large en rapport avec la notion de temps (cela dit ça dépasse le cadre de ce post). Je note que pour toi ce n'est pas adapté de parler de température du vide quantique.

[Gilgamesh]

Je comprends bien, je parlais justement de la température "virtuelle". Je sais que la question n'est pas courante (je n'ai rien trouvé là-dessus) et je ne sais pas si elle est pertinente, mais elle s'inscrit dans une réflexion plus large en rapport avec la notion de temps (cela dit ça dépasse le cadre de ce post). Je note que pour toi ce n'est pas adapté de parler de température du vide quantique.

A mon sens on ne peut pas parler de "température virtuelle" car les particules virtuelles ne sont pas à l'équilibre thermodynamique. La signification profonde de la température ce n'est pas seulement l'énergie cinétique (sinon le concept ferait doublon). La notion de température implique une distribution en énergie de Maxwell-Boltzmann (comme indiqué ci-dessous) résultant de cet équilibre. Si cet équilibre n'existe pas, la température n'est pas bien définie. Par exemple, aujourd'hui les différentes parties de l'univers ne sont pas à l'équilibre (il y a des zone à 3K et d'autres à 3 GK) et de ce fait la température de l'univers n'est pas bien définie.

[invite7569a8e8]

Bonjour,

Et que cette expansion a commencé à un certain moment dans le passé, il y a 13 milliards d'années.
Tout ce qui s'est passé entre ce moment et aujourd'hui est assez bien établi.

Ok. Pourrait-il être admissible de dire que ces 13 milliards d'années sont espacés de notre oeil d'un poullième de mesure de distance? S'il vous plaît, ne rejetez pas d'emblée cette proposition : la vitesse de transmission de la lumière est bien établie, et les mesures physiques s'appuient sur sa stabilité. C'est plutôt une chance pour nous tous qu'il en soit ainsi.

Reste qu'il n'existe aucun outil apte à dater. Localement , bien sûr, nous utilisons nos horloges. Mais ici, nous ne sommes pas dans le local, tel qu'il est défini courrament.
Par le fait, justement, qu'il n'existe pas de référentiel absolu, il n'existe pas de date absolue...Ni d'écart de date absolu.

Y a t-il difficulté à entrevoir que ces distances et durées gigantesques puissent être leurres, simplement constatations, mesures et calculs, appuyés sur notre modèle de perceptions ? Envisager qu'un phénomène ainsi mesuré est à une autre échelle contemporain de notre réception est-il dément, ou bien l'écart de mesure de cette relation s'approche t-il du facteur 10 puissance 120 ?

Surtout : en quoi un phénomème détecté comme lointain et ancien dans un référenriel devrait-il l'être dans un autre ?

En celà, et j'insiste, ne décriez pas d'emblée, montrez, s'il vous plaît, que l'univers est devenu visible bien plus tôt qu'il y a un pouillème de seconde de la date que nous déclarons comme être la nôtre aujourd'hui. Montrez s'il vous plaît qu'il ne vient pas juste d'emettre, à l'instant où nous le recevons.

Merci énormément.

[Pio2001]

Bonjour cayuga,
Les mesures du temps qui nous sépare des étoiles et des galaxies que nous voyons sont basées sur les mesures de distances : sachant la distance qui nous en sépare, on en déduit l'aĝe de l'image que nous voyons.
Par exemple, grâce aux étoiles variables appelées céphéides, nous savons que la galaxie d'Andromède (que l'on peut tout juste voir à l'oeil nu sous le W de Cassiopée par un ciel bien noir à la campagne) se trouve à une distance de 2 millions d'années-lumières. Cela signifie que l'image que nous voyons d'elle est vieille de 2 millions d'années.

Ces durées ont été directement mesurées dans notre système solaire par les sondes spatiales qui ont voyagé vers les planètes voisines. Ainsi la sonde New Horizons qui se trouve en ce moment au-delà de l'orbite de Pluton, à 5 milliards de kilomètres d'ici (0.0002 années-lumières) met 4 heures à recevoir les signaux de commande émis depuis la Terre, et nous antennes terrestres mettent 4 heures de plus à recevoir la réponse.

C'est un vrai casse-tête pour les équipes qui pilotent ces sondes : il faut envoyer les ordres de correction de trajectoire 4 heures à l'avance, et ce n'est que 8 heures après que l'on sait si la sonde a bien reçu l'ordre en question.

Pour les étoiles, qui sont situées bien plus loin, c'est la même chose : la nébuleuse du Crabe est le reste de la supernova qui a été vue sur Terre en l'an 1054. Mais de même que les messages de la sonde New Horizons arrivent avec 4 heures de retard, les images de la supernova sont arrivés avec 6300 ans de retard (car elle est située à 6300 années-lumières).
Par conséquent, la supernova a eu lieu en réalité vers l'an -5200.