Cosmogénèse à partir d'un monopôle magnétique

[flo8585]

Bonjour,

Je suis tombé récemment sur un article qui m'a intrigué en ce qui concerne les monopôles magnétiques. En effet, bien que théoriques, certains pensent qu'en fournissant une grande quantité d'énergie (comment, bonne question) à un monopôle magnétique, ce dernier créerait une sorte de "bulle" en expansion comme l'univers actuel.

J'ai essayé de me renseigner sur les monopôles magnétiques et bien qu'ils soient encore présentés comme théoriques, j'ai vu des articles sur des recherches qui auraient déjà démontrés leur existence. Pouvez-vous m'en dire plus sur le sujet svp ? car j'ai du mal à trouver des informations récentes ...

Enfin, si l'existence de particules avec une masse magnétique ponctuelle était démontrée, que pensez-vous de cette théorie (portée notamment par Andreï Linde et Zeeya Merali) sur la possibilité de créer un nouvel univers à partir d'un monopôle magnétique ? De ce que j'ai lu, cela aurait pour but d'expliquer la création de notre propre univers, l'apparition de particules pouvant émerger du vide selon la théorie quantique.
-----

[Deedee81]

Salut,

La création "d'univers bulle" c'est ça : https://fr.wikipedia.org/wiki/Inflat...%C3%A9ternelle
(plus complet en anglais : https://en.wikipedia.org/wiki/Eternal_inflation)

Mais je ne vois pas le lien avec les monopoles.
(toute particule peut émerger du vide, pas seulement les monopoles)

[Gilgamesh]

Non, on n'a pas aujourd'hui de preuve expérimentale / observationnelle de l'existence des monopôles. Ce qu'on a c'est une observation de "quasi particules" se comportant comme des monopoles. Mais pas des particules élémentaires ayant cette propriété "monopolaire".

wiki : En septembre 2009, plusieurs expériences ont mis en évidence l'existence de monopôles magnétiques dans des cristaux, sous la forme de quasi particules constituant les extrémités de cordes de Dirac (non infiniment longue). Tom Fennell à l'Institut Laue-Langevin et Jonathan Morris à Berlin ont créé les conditions permettant de reproduire artificiellement des monopoles de synthèse dans du titanate d'holmium et du titanate de dysprosium.

Un article Futura là dessus : https://www.futura-sciences.com/scie...bserves-20398/

Par contre ils ont si j'ose dire une existence théorique assez robustement assise. Dirac a montré en 1931 que leur existence rendrait les équations de Maxwell complètement symétriques sous la dualité électrique-magnétique et qu'elle donnerait une explication naturelle à la quantification de la charge électrique.

Pour autant, les monopôle ne s'inscrivent pas dans la théorie du modèle standard actuel des particules. Mais plusieurs théories de grande unification prévoient leur existence. Les théoriciens 't Hooft et Polyakov ont montré dans les années 70 que dans beaucoup de théories quantiques des champs de type Yang-Mills utilisant le boson de Higgs, l'équivalent du monopôle de Dirac devait apparaître.

Concernant l'aspect cosmologique, et tel que je comprend les théories inflationnaire de Guth et Linde, ce n'est pas le monopôle qui cause l'inflation, mais l'inflation qui se traduit par la création de monopole par brisure de symétrie au sein des domaines crée par l'inflation. C'est assez bien expliqué ici : http://www.astrosurf.com/luxorion/cosmos-inflation5.htm

Le soucis qu'ils posent c'est que leur masse pressentie est excessivement élevée mais qu'ils sont stables. Du coup même après dilution par l'expansion, leur création à la fin de l'inflation donnerait une densité actuelle à l'univers bien au delà de celle observée. Donc soit ils n'existent pas, soit l'univers n'était pas assez chaud au Big Bang soit ils ne sont pas si massifs.

[Deedee81]

Concernant l'aspect cosmologique, et tel que je comprend les théories inflationnaire de Guth et Linde, ce n'est pas le monopôle qui cause l'inflation, mais l'inflation qui se traduit par la création de monopole par brisure de symétrie au sein des domaines crée par l'inflation. C'est assez bien expliqué ici : http://www.astrosurf.com/luxorion/cosmos-inflation5.htm

Je vois mieux le lien entre deux trucs, merci Gilgamesh

[A voir en vidéo sur Futura]

[flo8585]

Bonjour et merci pour votre réponse détaillée.

Apparemment, il y aurait une théorie selon laquelle l'utilisation d'un accélérateur de particules suffisamment puissant sur un monopôle magnétique permettrait la création d'une bulle de vide qui serait en quelque sorte "en dehors" de notre univers (espace-temps) et évoluerait indépendamment. Cette théorie a été illustré par un utilisateur sur Internet. C'est incomplet évidemment mais en gros ça donnerait ça : https://www.youtube.com/watch?v=kgDk-pcYTfQ

Ainsi, puisque des particules peuvent émerger du vide selon la théorie quantique, cette bulle deviendrait un "bébé-univers" en expansion. Après, je n'ai pas trouvé d'explications en ce qui concerne l'utilisation d'un monopôle magnétique spécifiquement mais selon Linde, cela permettrait de créer un autre univers en laboratoire grossièrement. Ils estiment probablement que l'expansion de notre univers actuel est dû aux monopôles magnétiques, et il serait selon eux possible de reproduire ce procédé en laboratoire pour créer un autre univers, mais sans l'explosion du big bang.

Après si comme vous dîtes les monopôles sont bien une conséquence de l'expansion. A t-on des théories sur les conséquences de cette expansion ?

[flo8585]

J'ai oublié de le préciser mais cette théorie de cosmogénèse en laboratoire est détaillée dans le livre "A Big Bang in a Little Room" de l'écrivain scientifique Zeeya Merali, paru en 2017.

[Deedee81]

Salut,

Ca me semble bizarre. Mais comme je ne saurais pas regarder la vidéo (quota d'accès avec mon fai) je vais laisser d'autres en juger.

A t-on des théories sur les conséquences de cette expansion ?

Ben, c'est tout le modèle standard de la cosmologie ça : refroidissement de l'univers, nucléosynthèse, etc... etc... jusqu'à nous
Ou alors je n'a pas bien compris ce que tu veux dire par "conséquences".

[Deedee81]

J'avais pas fait attention, mais Zeeya Merali et docteur en philosophie et journaliste, pas astrophysicien, et je n'ai rien trouvé concernant des publications dans des revues acceptées par la communauté scientifique. Donc prudence (ceci dit, j'ai vu un article dans La Recherche qui en disait du bien ).

[flo8585]

Mince je me suis trompé. Je voulais pas dire conséquences mais causes.

Mais tout est remis en question en ce qui concerne la création d'univers si le monopôle (qui n'existe peut-être même pas) n'a pas pour propriété de créer du vide quand il est manipulé avec un accélérateur de particule comme dans la vidéo. Si tu ne l'as pas vu c'est pas grave, elle est très vulgarisée et je me demandais justement si certains avaient plus approfondis le sujet. (En parlant de cela, il semble que l'utilisateur qui a posté la vidéo soit Zeeya Merali elle-même car elle fait régulièrement référence à son livre dans les commentaires. Elle précise d'ailleurs qu'elle s'est renseigné auprès de plusieurs chercheurs en astrophysique, ce que je n'ai pas non plus vérifié)

Existe-il un moyen de créer une bulle de vrai vide pour reconstituer les conditions de naissance de notre univers ?
Est-ce que la manipulation d'un monopôle magnétique serait un de ces moyens, et si oui comment ?
Une fois la bulle de vide, est-ce que le seul fait que des particules naissent de rien dans le vide selon la théorie quantique expliquerait que la bulle de vide (le "bébé-univers") soit en expansion ?
Sinon, connait-on les causes de l'expansion de notre univers et serait-il possible de reproduire tout cela (créer un autre univers à partir de rien, ou en l'occurrence dans un univers déjà existant) en laboratoire (évidemment pas pour demain...) ?

En ce qui concerne Zeeya Merali, je demande justement des avis extérieurs car il est vrai qu'elle n'est pas astrophysicienne, mais certains jugent ses écrits valables.

[Deedee81]

Mince je me suis trompé. Je voulais pas dire conséquences mais causes.

Dans le modèle standard, la cause est simplement qu'un univers statique est instable, il est soit en expansion, soit en contraction.
Donc partant d'un état dense et chaud déjà en expansion... ça continue.

Si on parle de l'instant "initial" et éventuellement dans cette création à partir d'un vrai vide, je ne m'avancerai pas. Je ne connais pas assez cette théorie spéculative.

Existe-il un moyen de créer une bulle de vrai vide pour reconstituer les conditions de naissance de notre univers ?

On est très loin d'atteindre ça. Pour passer au "vrai vide", c'est le cas du vide quantique avant brisure de symétrie électrofaible, il faudrait atteindre d'après le groupe de renormalisation des énergies de collision de l'ordre de plusieurs milliards de TeV, on en est qu'à une dizaine avec le LHC !!!!!

On n'a jamais observé de monopole magnétique (sauf comme quasi-particule mais c'est pas du tout la même chose). Et il y a des raisons théoriques de penser qu'ils n'existent pas (mais bon, c'est tout aussi spéculatif que de dire l'inverse ).

Pour Zeeya Merali, comme je disais, La Recherche en disait du bien, mais je n'en sais pas plus.

[0577]

Bonjour,

un article technique sur le sujet, par Linde et Linde, de 1994:

https://arxiv.org/abs/hep-th/9402115

Version publiée:

https://journals.aps.org/prd/abstrac...ysRevD.50.2456

(la version publiée a l'avantage sur la version arxiv de contenir des illustrations. Il semble assez facile de trouver un pdf de la version publiée, mais je ne suis pas sûr qu'elle soit libre de droits).

[flo8585]

La création d'un vide total avec un accélérateur de particule serait donc théoriquement possible ?
Si l'univers a commencé par ce même vide total et qu'il est comme tu dis forcément instable, la création d'une bulle de vide serait automatiquement succédé de son expansion ou de sa contraction ?

[Deedee81]

La création d'un vide total avec un accélérateur de particule serait donc théoriquement possible ?

Ca reste assez spéculatif.
Et je le répète, on en est loin.
Avec les technologies actuelles il faudrait un accélérateur de quelques milliards de km de long. Plus grand que la Terre

Si l'univers a commencé par ce même vide total et qu'il est comme tu dis forcément instable, la création d'une bulle de vide serait automatiquement succédé de son expansion ou de sa contraction ?

C'est une possibilité.

Attention, quand je parlais d'instabilité je parlais de l'univers décrit par la relativité générale !!!! Rien à voir avec le vide quantique.
Ceci dit, le vrai vide s'il peut exister serait certainement instable (voir le potentiel du Higgs :
https://www.researchgate.net/figure/..._fig1_28612648
Mais je suis incapable de dire si ce n'est qu'une modélisation théorique de la brisure spontanée de symétrie ou s'il y a réellement une possibilité physique (un peu comme la renormalisation qui parle de "particules nues".... qui n'existent pas et ne peuvent pas exister).

Mais méfiance avec la spéculation. On peut lui faire dire tout et son contraire. On doit forcément spéculer pour faire avancer la théorie (avant les validations expérimentales, toute théorie est spéculation). Mais mieux vaut y aller pas à pas. Enfin, c'est mon avis

Exemple, dans l'article donné ci-dessus (je remercie 0577), Linde part d'un Lagrangien assez simple.... mais totalement ad hoc.... Perso je déteste ce genre de présuposé arbitraire pour démarrer. Mais bon, chacun son truc. Moi je préfère partir de truc en béton armé pour progresser (donc je suis automatiquement séduit par la gravitation quantique canonique..... qui n'est qu'une des voies de recherche dans ce domaine, bien sûr).

[flo8585]

Merci Deedee81 pour toutes tes réponses,

C'est vrai que j'ai souvent tendance à me laisser porter par les spéculations ^^

En fait, si on veut en apprendre plus sur l'art de créer des univers, il serait effectivement préférable de comprendre la création du nôtre ...
Ainsi je voulais savoir si de grands physiciens tels qu'Einstein avaient déjà proposé des réponses à la question : pourquoi l'univers est-il en expansion ? Y'a t-il un élément de réponse dans les théories d'Einstein ou d'un autre qui justifierait l'expansion de l'univers depuis sa création jusqu'à aujourd'hui ?

J'ai essayé de chercher par moi-même mais je me perds rapidement dans des équations complexes que je peine à me figurer mentalement

[flo8585]

Il me semble probable que le meilleur moyen, si tant est que cela soit possible, de créer un univers est à partir du vide.

En effet, depuis que l'on sait que l'univers n'est pas statique comme le pensait Einstein, cela veut dire qu'il est bien né à un moment et qu'avant, il y avait soit rien, soit quelque chose que l'on ne sait/comprend/imagine pas. Or, d'après le principe d'incertitude d'Heisenberg et de l'équivalence entre masse et énergie d'Einstein, des paires de particules peuvent naître du vide. Ainsi la naissance d'un univers à partir de vide semble possible non ? Mais je ne comprend toujours pas ce qui a provoqué l'inflation cosmique au tout début de l'univers et la rapidité de cette inflation ...

Déjà pour vérifier cela, il faudrait être capable de créer du vide. Mais est-ce seulement possible théoriquement ? Si oui, a t-on des pistes sur le sujet ? Avec un accélérateur de particules (certes infiniment plus puissant que ceux d'aujourd'hui) ?

[Gilgamesh]

Il me semble probable que le meilleur moyen, si tant est que cela soit possible, de créer un univers est à partir du vide.

En effet, depuis que l'on sait que l'univers n'est pas statique comme le pensait Einstein, cela veut dire qu'il est bien né à un moment et qu'avant, il y avait soit rien, soit quelque chose que l'on ne sait/comprend/imagine pas. Or, d'après le principe d'incertitude d'Heisenberg et de l'équivalence entre masse et énergie d'Einstein, des paires de particules peuvent naître du vide. Ainsi la naissance d'un univers à partir de vide semble possible non ? Mais je ne comprend toujours pas ce qui a provoqué l'inflation cosmique au tout début de l'univers et la rapidité de cette inflation ...

Déjà pour vérifier cela, il faudrait être capable de créer du vide. Mais est-ce seulement possible théoriquement ? Si oui, a t-on des pistes sur le sujet ? Avec un accélérateur de particules (certes infiniment plus puissant que ceux d'aujourd'hui) ?

Un petit repost pour expliquer la relation entre théorie de l'expansion et inflation, et la notion de gravité répulsive qui apparaît en relativité générale et quon peut connecter à la nouvelle conception du vide introduite par la théorie quantique des champs.


La théorie que l'on va qualifier de "classique" du Big Bang, née dans les années 20 et confirmée dans les années 60, ne fait appel qu'à la matière, au rayonnement et à la relativité générale, et c'est une théorie sans "bang", c'est à dire qu'elle n'explique pas l'expansion de l'univers, et moins encore la création de l'univers, quel que soit le sens qu'on donne au mot création. Voilà un premier point à bien imprimer : c'est une théorie de l'expansion qui est absolument muette sur l'origine de l'expansion. La théorie, qui sur la plan théorique se résume au deux équations de Friedmann ne fait "que" relier la variation du taux d'expansion de l'univers avec son contenu énergétique. Si on prend la valeur actuelle du taux d'expansion, notée H₀, on peut en déduire que la valeur qu'il avait à l'instant d'avant était plus élevée, et celui encore avant plus encore, etc. Cette "constante" d'expansion est en fait une fonction du temps que l'on note H(t). L'équation de Friedmann nous dit que dH/dt est négative si la densité d'énergie et la pression de l'univers sont positives. Cela rejoint l'intuition : de la même façon, la vitesse d'un caillou qui s'éloigne du centre de masse décroit dans un champs de pesanteur positif.

Or la physique classique ne connait que des champs de pesanteur positifs. Si on en reste dans ce cadre, lorsque l'univers est plus petit, il est plus dense. Donc la décroissance de H est plus rapide dans le jeune univers que maintenant. Donc il faut que sa valeur initiale soit très grande, et tout le monde connait le résultat : quand on annule la taille de l'univers, la fonction fort logiquement diverge et il faut donner à H une valeur initiale infinie pour obtenir la valeur actuelle. Or, le contenu énergétique classique, matière et rayonnement est incapable de faire autre chose que de freiner l'univers, c'est à dire de diminuer H. C'est donc sans espoir de ce côté pour trouver un mécanisme qui serait susceptible de donner à H une valeur infinie, ou au moins très élevée. C'est ce qui fait dire que la théorie du Big Bang est une théorie "sans bang", le "bang" étant dans l'idée l'événement qui aurait donné cette valeur élevée initiale de H.

D'aucuns pourraient se dire : ah mais oui, mais je sais, quand l'univers était tout petit et fortement comprimé, la pression était très élevée et, jouant contre la gravité, elle a propulsé l'univers dans toutes les directions ! D'où l'idée commune de se représenter le Big Bang comme une explosion. Mais ça ne marche pas. Un des ajouts majeurs de la théorie de la relativité générale à la théorie de la gravité newtonienne, c'est l'idée que la gravité est proportionnelle au quadri-moment impulsion-énergie. C'est un vecteur à quatre composantes : une composante énergie (liée à la coordonnée temporelle) et trois composantes d'impulsion (liées aux trois dimensions spatiales). Et cette triple composante impulsionnelle, ce flux de quantité de mouvement, c'est précisément ce qu'on appelle la pression. En relativité générale, la pression gravite, ce qui n'est pas du tout le cas avec Newton. Et ce qu'il advient, c'est que certes dans un milieu dense et chaud, comme le centre d'une étoile, la pression générée par l'agitation thermique s'oppose à l'effondrement, mais que subrepticement, en même temps qu'elle s'oppose à l'effondrement, la pression augmente la valeur du champs de gravité qui écrase l'étoile. Et que dépassé un seuil (élevé, et du reste pas facile à calculer précisément), le surcroît de gravité généré par la pression dépasse sa contribution à résister à l'effondrement. Dans le cadre de l'astrophysique, c'est ce qui explique le côté irrémédiable de l'effondrement gravitationnel en trou noir. Et dans le cadre de la cosmologie, c'est ce qui contredit l'intuition d'un début de l'expansion engendré par un milieu de forte pression. La pression, comme la densité d'énergie, freine l'expansion. La lumière elle même génère une pression, et c'est le même raisonnement, cette pression contribue positivement à la gravité. Exit l'idée d'un "bang explosif" cad qui serait causé par la pression initiale, qu'il s'agisse de celle des gaz ou de celle de la lumière. Si on en reste aux composants classiques, il n'existe pas de terme susceptible d'expliquer la valeur élevée du taux d'expansion initial.

Les choses ont commencé à changer au début des années 80 avec la théorie de l'inflation, qui est précisément une théorie du "bang". C'est elle qui va nous expliquer de quelle manière on peut conceptualiser cette valeur initiale très élevée de H, qui va ensuite subir le freinage de la matière et du rayonnement. Et puisqu'on a dit que ces deux compères avaient pour effet de diminuer H, la théorie de l'inflation postule un espace dépourvu de matière et de rayonnement, autrement dit : on part d'un espace vide. Nous allons voir qu'étrangement, seul le vide peut faire bang.

Pour comprendre ça, il va falloir déjà faire un gros détours conceptuel sur cette notion de vide. Le vide a priori, c'est rien. On l'assimile au néant. Or le néant est un mot qui désigne en fait ce qui n'existe pas. C'est un concept métaphysique, tout entier contenu dans sa définition: ce n'est rien. De ce seul fait, c'est à dire par définition, penser que le néant existe est dépourvu de sens. Ce serait comme dire que le pôle Nord est au Sud.

La Physique, la philosophie naturelle autrement dit, se préoccupe de décrire la Nature, de ce qui "est". Elle n'utilise donc pas ce concept. Quand on parle du vide, il ne s'agit pas du néant.

Mais le piquant de l'histoire, c'est que les deux branches maîtresses qui nous permettent appréhender la Nature à ses niveaux les plus fondamentaux, la relativité générale et la théorie quantique des champs (QFT pour quantum field theory), ont pour objets centraux les deux attributs que les primates visuels que nous sommes associent spontanément au néant. Bien que ce soit absurde quand on y réfléchit un tant soit peu, vu que le néant n'étant rien, il n'est pas représentable, si on demande néanmoins à tout un chacun de se représenter le néant en imagination, il visualisera probablement ça: un grand espace vide.

L'espace, le contenant géométrique, est ce que décrit la relativité générale. Donc la cadre classique qui nous permet de conceptualiser l'expansion de l'espace avec les équation de Friedmann. Et le vide, le contenu de cet espace, est ce que décrit la QFT. Le moins qu'on puisse dire c'est que les deux concepts, espace et vide, ne représentent donc par "rien". La révolution scientifique commencée au XXe siècle peut se résumer à ce dé-niaisement intellectuel. Là où il semblait impossible d'imaginer des structures, tout repose dessus, basé sur une physique théorique de très haute volée. Il faut au minimum un master pour commencer à en aborder les mystères autrement qu'avec des concepts vulgarisés.

Et le point nodal de l'histoire pour envisager l'origine de l'univers, c'est que l'espace et le vide entretiennent une dialectique serrée. Le vide possède un état fondamental dont l’énergie n'est pas nulle et cela engendre une pression négative qui a son tour est la cause d'une expansion de l'espace qui en retour augmente le volume du vide. Et le changement d'état du vide vers un niveau de moindre énergie représente un mécanisme par lequel on va pouvoir faire apparaître de la matière, donc passer d'une univers vide en inflation à un univers de matière et de rayonnement en expansion.


Vide et matière

Ce qu'on appelle la matière, c'est un vide qui n'est pas à son état d'énergie minimal, c'est à dire un vide excité.

Ce qu'on appelle le vide c'est un ensemble de champs, un pour chaque particule élémentaire, à leur état d'énergie minimal. Même dans cet état minimal, le champ conserve une activité résiduelle qui produit des couples de particules qui se résorbent en un temps très court (d'autant plus court que la particule produite est massive). Le vide est une ruche vibrionnante qui produit de la matière à jet continu. Mais il s'agit d'une matière virtuelle, c'est à dire que ces particules ne peuvent pas interagir avec une particule réelle, un détecteur de particules par exemple ; elles produisent par contre un effet collectif qui joue un rôle important dans la théorie des champs quantiques.

L'énergie par unité de volume ρ autrement dit la densité d'énergie du vide (en Joule/m3, par exemple) résulte d'une sommation sur les champs quantique.

L'énergie E d'un champ en théorie quantique c'est :

E(n) = (n + 1/2)hν

avec
h la constante de Planck
ν (nu) la fréquence. Un ν donné représente un mode du champs. Pour une particule de masse m au repos, on a au minimum hv = mc², auquel il faut ajouter son énergie cinétique.
n = 0, 1, 2... le nombre de particules (réelles) du champ.

n>0 représente l'état excité, le champ génère de la matière
n=0 représente l'état d'énergie minimal du champ, cad le vide.

D'où l'énergie de point zéro du champ :

E(n=0) = hv/2

...qui n'est pas nulle.

Pour calculer l'énergie de vide, on intègre sur tous les modes des champs de toutes les particules (fermions, bosons) pour obtenir un total.

Et là, c'est le drame...

Mais si on ne fait le calcul que sur une seule particule, par exemple le photon, l'intégrale donne une densité d'énergie de l'ordre de ρ~10¹²⁰ fois la densité d'énergie mesurée. C'est ce qu'on appelle une catastrophe ultraviolette : en intégrant les modes de fréquences croissantes qui sont aussi les plus énergétiques (si on part des fréquences optiques, c'est quand on va vers les ultraviolets), l'intégrale diverge, cad que son résultat tend vers l'infini. Usuellement, on somme jusqu'à une fréquence dite de coupure, qu'il faut justifier physiquement. Or dans le cadre de la Physique actuelle, la fréquence de coupure c'est la fréquence de Planck. On obtient comme résultat que la densité d'énergie du champs est de l'ordre de la densité de Planck. Ok, ce n'est pas infini. Mais c'est quand même extraordinairement élevé. Ou pour le dire à l'inverse : notre vide apparaît extraordinairement peu énergétique par rapport à ce qu'il devrait être, si on se fie à la théorie quantique des champs. C'est le problème dit de la constante cosmologique. Sans doute le problème ouvert le plus brûlant de la physique actuelle.

Mais bon...

Si on passe ça sous le tapis, l'idée est que "naturellement" on a une "énergie plancher" qui se déduit du formalisme fondamental la théorie quantique des champs. Comme il s'agit de l'état fondamental des champ, l'idée d'une "dilution" est sans objet. Cela signifierait que les lois de la physiques changent avec l'expansion.


Vide et expansion

Si je prend un système constitué très simplement d'un volume de vide et que j'augmente ce volume, en lui faisant subir une expansion, que se passe t'il ? J'ai crée un volume plus grand d'espace remplis de vide. Comme ce vide représente une certaine énergie par unité de volume, j'ai augmenté l'énergie de mon système.

Soit U l'énergie interne de mon système.

En thermodynamique de base, j'ai l'équation de conservation de l'énergie qui s'écrit comme ça, pour un système adiabatique (=qui n'échange pas de chaleur avec l'extérieur, ce qui est le cas de l'Univers) et isentropique (= dont le nombre moyen de particules par unité de volume ne change pas, ce qui est le cas du vide) :

dU = -pdV

dU est la variation de mon énergie interne
p est la pression
dV est la variation de volume

Très simplement, si j'ai un piston remplis de gaz sous pression et que je le laisse aller, son volume va augmenter (dV>0), et l'énergie interne va diminuer : une force travaille, et ce travail est fourni à l'extérieur, ce qui fait tourner le moteur de la Volvo, par exemple. Mais ici, il ne semble pas que l'Univers puisse faire tourner une Volvo. Il ne fournit de travail à personne.

D'après ce qui précède :

dU = ρdV

d'où :

ρ = -p

Autrement dit l'augmentation de l'énergie interne est compensée par une pression négative. C'est un truc plutôt bizarre, mais vrai et qui se constate dans l'effet Casimir.

[Gilgamesh]

Bon, ça c'est ce que nous dit la théorie quantique des champs, au sujet du vide.

Que nous dit la relativité générale, au sujet de l'espace ? Que la gravité d'un fluide quelconque de densité d'énergie ρ et de pression p est :

g = ρ + 3p

On l'a vue plus haut : en relativité générale, la pression gravite, c'est à dire qu'elle doit être comptabilisée dans la somme des termes qui produisent une courbure de l'espace. Le chiffre 3 devant le terme p est lié comme on l'a vu aux 3 dimensions spatiales.

Comme p est négative et égale à -ρ, ρ+3p est une quantité négative. On devrait plutôt l'appeler tension du vide. Et ça implique une gravité répulsive. Sous l'effet d'un tel fluide en tension, la croissance de la métrique est du genre :

a(t) ~ a₀.exp(Ht)

avec H = √Λ/3
avec Λ la cte cosmo

C'est le premier miracle de la Physique : le vide engendre une pression négative qui elle même engendre l'expansion, ce qui nous manquait cruellement dans la théorie classique.

Bon, maintenant on pourrait se dire ok, le vide rentre en expansion, mais quand même... On a dit que la création de vide est "compensée" par la tension, la pression négative. Seulement, non, ici ça ne marche pas : cette tension ne travaille pas, vu que l'univers est un système isolé. Il ne fournit de l'énergie à personne, et on viole allègrement le Premier Principe de thermodynamique dans cette histoire : l'énergie n'est pas conservée, elle ne fait que croître ! Et c'est la connexion avec la relativité générale qui permet le second miracle de la Physique : tout se fait à bilan d'énergie nul.

Cela fait intervenir l'idée que l'énergie d'un champ gravitationnel a une valeur négative, susceptible de compenser cette création d'énergie. Cette valeur négative de l'énergie gravitationnelle n'est pas un concept récent : c'est déjà classiquement vrai dans le cadre newtonien. La gravité est une force de liaison. Deux masses liées par une force ont moins d'énergie potentielle que deux masses libres. Cela signifie que pour les délier il va falloir leur fournir du mouvement. Si on se représente deux masses situées à l'infini l'une de l'autre, leur énergie est nulle. Elles tombent l'une vers l'autre : leur énergie cinétique augmente ce qui est compensé par une énergie potentielle gravitationnelle négative, et la valeur totale de leur énergie mécanique reste nulle.

La valeur de l'énergie gravitationnelle dans le cadre de la relativité générale n'est pas un calcul simple, mais dans le cadre du scénario inflationnaire, on peut effectuer ce calcul avec une rigueur suffisante, et le bilan est nul.

Si on rassemble toutes nos billes, on obtient donc le scénario suivant : on postule que l'état d'énergie typique du vide est très élevé, en se basant sur les résultat de la QFT. De façon qu'on explique pas encore, mais qui se constate simplement du fait que notre univers existe, il existe un état du vide de basse énergie. La thermodynamique classique permet donc de prédire que ce vide énergétique va décroître spontanément pour rejoindre le point bas. Avant et durant cette chute, l'univers est en inflation, et un volume élémentaire de vide de dimension subatomique (disons 10⁻²⁸ cm) va atteindre une taille centimétrique, cad une croissance d'un facteur e¹⁰⁰ environ en une durée plus que brève de l'ordre de 10⁻³² s. Si on donne à la densité d'énergie initiale la valeur d'énergie dite de Grande Unification (GUT), de l'ordre de (10¹⁶ GeV)⁴ alors la bille d'univers qui sort de l'inflation est remplit d'un plasma dont l'énergie totale est suffisante pour donner naissance à toute la matière (baryonique et noire) et tous le rayonnement de l'univers. Le vide initial a changé de phase, et convertit son énergie en matière et rayonnement. La pression qui était fortement négative est devenu fortement positive, le taux d'expansion de l'espace est maintenant freiné par son contenu. On raccroche ainsi les wagons avec un Big Bang chaud classique, mais on a une idée désormais de ce qui aurait pu faire "bang".

edit : le lien posté par Geb sur le fil voisin est parfait pour approfondir ces idées
https://arxiv.org/pdf/0906.0903.pdf

[flo8585]

Merci beaucoup pour ta réponse très détaillée Gilgamesh.

Le vide dont tu parles, il s'agit d'un faux vide ou bien le vide total (théorique, le néant) ? Car si c'est le bien le vide absolu (difficile à concevoir comme tu l'as dis), cela veut dire qu'une théorie le placerait à l'origine de l'inflation cosmique et donc à l'origine de notre univers ? En gros, qu'y avait-il avant l'univers = rien, le néant total ?

Si oui, je me demande si le vide absolu est reproductible en laboratoire pour mieux comprendre ses propriétés. Et dans l'hypothèse où on y arriverait, est-ce que le moindre infime néant créé risquerait de produire une seconde inflation cosmique ? Un univers qui naîtrait dans un univers déjà existant en quelque sorte.

PS : Quand tu dis que le taux d'expansion de l'espace est maintenant freiné par son contenu, tu fais référence à la gravité qui ralentirait l'expansion ? Car il me semble que l'expansion de l'univers s'accélère au contraire (d'où l'hypothèse de la matière noire)

[Deedee81]

Salut,

En gros, qu'y avait-il avant l'univers = rien, le néant total ?

Attention, le néant est un concept philosophique, pas scientifique.

Il y a deux possibilités : soit l'univers a un début (T=0 en temps cosmologique), et l'univers état tout : matière, espace, temps. Il n'y a pas de sens à parler d'un avant. C'est une abstraction difficile à mentaliser, mais avec un peu d'habitude

L'autre possibilité, il y avait quelque chose avant (T=0 n'est alors qu'une transition), ce vers quoi semblent tendre toutes les théories spéculatives sur la gravité quantique. Et là évidemment, il y un avant (*) mais pas le néant, juste l'univers sous un aspect différent.
(*) sauf dans les théories avec temps émergeant d'une structure espace-temps chaotique, comme dans mon modèle préféré issu des boucles (il n'a pas du tout la cote, même chez les bouclistes qui préfèrent les univers avec rebonds, mais moi j'aime bien)

[flo8585]

Bonjour et merci pour l'explication,

C'est vrai que j'ai employé maladroitement le terme "avant" alors que le temps n'existe pas forcément dans ces conditions. J'ai aussi mal employé le mot néant pour désigner la chose la plus proche possible physiquement du vide absolu, même si c'est quantiquement impossible que le vide soit total je crois. Parce que dans mon esprit, j'ai l'impression que plus le vide est vide, plus il est facile d'y faire apparaître quelque chose.

Mais je me demande si, avec une meilleure compréhension de la naissance de notre univers, il serait possible de créer (à partir du vide par exemple comme j'ai déjà proposé) quelque chose dans notre univers qui ne serait pas dans notre univers. En gros quelque chose d'indépendant, soit comme ce qu'il y avait "avant" l'univers s'il y avait bien quelque chose avant, soit comme ce qu'il y aurait dans d'hypothétiques autres univers.

Et du coup, si on arrivait à reproduire les conditions les plus fidèles possibles que lors de la naissance de notre univers, peut-être pourrions-nous reproduire le même processus (hypothétiquement bien sûr). Mais cela nécessiterait tellement d'avancés sur l'origine de notre univers et sur des phénomènes inconnus comme l'énergie noire j'imagine.

[Deedee81]

la chose la plus proche possible physiquement du vide absolu, même si c'est quantiquement impossible que le vide soit total je crois. Parce que dans mon esprit, j'ai l'impression que plus le vide est vide, plus il est facile d'y faire apparaître quelque chose.

C'est un peu plus subtil que ça.

Tout d'abord, le vide en théorie quantique des champs, c'est jamais que l'état de plus basse énergie et le plus symétrie (il y a une définition plus technique, c'est l'état annulé par tous les opérateurs d'annihilation). Il est vide de particules (dans tous les cas, que l'on parle de vrais/faux/absolu vide) mais les champs quantifiés existent encore et donc les fluctuations du vide (avec un petit grain de sel, mais je vais pas creuser ce point, j'en parlais déjà plus haut).

Ce qui change alors entre différents vides est l'énergie du vide, dont les changements ne sont pas une hérésie puisque justement ce n'est pas le néant. Les champs sont toujours là.

Et le "vide à partir duquel quelque chose peut naître" est un vide d'énergie très élevée. Donc très loin d'un "vide absolu ~ néant". C'est exactement l'inverse d'un machin "très vide" dans lequel pourrait naître quelque chose. Il serait même plus juste de dire que c'est un vide "moins vide que le vide quantique actuel car il s'y trouve un "machin" qui peut devenir un univers", rien ne se perd, rien ne se crée).

Ce vide très énergétique est instable, c'est le plus symétrique (correspondant à l'état de base) mais pas l'état de moins d'énergie. C'est comme ça dans le modèle électrofaible, cet état particulier étant lié au potentiel du Higgs (le fameux "sombrero"). Il y a alors rupture spontanée de symétrie avec transformation de cette énergie en états d'excitations appelés "modes/bosons de Goldstone" qui combiné au champ électrofaible donne la masse aux particules. Ou (avec une tartine de spéculation, enfin, je dirais même avec toute la boulangerie ) avec un couplage gravitationnel, ça pourrait donner un univers.

EDIT : le modèle électrofaible est super bien validé expérimentalement, mais c'est le résultat qui est validé. J'hésiterais à qualifier la construction théorique de "réalité physique", c'est un peu osé comme possibilité (même si beaucoup pensent que c'est possible.... moi aussi d'ailleurs, mais je fais la part entre mon pragmatisme et mon imagination )

Mais je me demande si, avec une meilleure compréhension de la naissance de notre univers, il serait possible de créer (à partir du vide par exemple comme j'ai déjà proposé) quelque chose dans notre univers qui ne serait pas dans notre univers. En gros quelque chose d'indépendant, soit comme ce qu'il y avait "avant" l'univers s'il y avait bien quelque chose avant, soit comme ce qu'il y aurait dans d'hypothétiques autres univers.

Avec des si, on pourrait tout faire (même mettre Paris en bouteille ou créer des licornes jaunes dans les accélérateurs de particules)

[flo8585]

Avec des si, on pourrait tout faire (même mettre Paris en bouteille ou créer des licornes jaunes dans les accélérateurs de particules)

Et pourquoi pas, sait-on jamais

Plus sérieusement, j'ai donc pas utilisé le bon vide ? Ce serait un vide très énergétique et stable qui permettrait l'apparition de particules ? Si oui, a t-on déjà essayé de recréer un tel vide (avec un accélérateur de particules peut-être), ou est-ce théoriquement possible tout du moins ?
Car dans ce cas-là, vide énergétique et stable = apparition de particules et si parmi elles il y a le boson de Higgs, cela confierait une masse aux éléments qui le traversent et on aurait bien un univers non ? (extrêmement simplifié certes)

Après en ce qui concerne le boson de Higgs, je crois que son existence a été prouvé par le CERN en 2012 mais je ne sais pas s'ils ont réussi à en créé un avec le LHC.

[Deedee81]

Ce serait un vide très énergétique et stable qui permettrait l'apparition de particules ?

Instable.

Tous les vides permettent des fluctuations du vide.
Mais ici comme il est instable.... il se transforme en vide quantique "habituel". Et l'énergie est transformé en masse des particules (en fait des excitations de Goldstone, mais bon n'entrons pas dans les complications techniques ) par couplage entre le champs de Higgs et ces particules.

Si oui, a t-on déjà essayé de recréer un tel vide (avec un accélérateur de particules peut-être), ou est-ce théoriquement possible tout du moins ?

J'en parlais plus haut. Il faudrait un accélérateur d'un milliard de kilomètres de long.

Ca me rappelle un bouquin de SF ça. Une histoire (sur fond de futurisme avancé : guerres de robots, etc...) ou des scientifiques créent un accélérateur allant de la Terre à Jupiter (il est encore un peu trop près pour notre histoire de vide, faudrait aller jusqu'à Saturne ) et où un physicien découvre que si on fait ça, ça va reproduire le big bang et tout anéantir. Me souviens plus le titre du roman ni comment il fini, j'ai lu ça il y a bien trente ans.

[flo8585]

Ca me rappelle un bouquin de SF ça. Une histoire (sur fond de futurisme avancé : guerres de robots, etc...) ou des scientifiques créent un accélérateur allant de la Terre à Jupiter (il est encore un peu trop près pour notre histoire de vide, faudrait aller jusqu'à Saturne ) et où un physicien découvre que si on fait ça, ça va reproduire le big bang et tout anéantir. Me souviens plus le titre du roman ni comment il fini, j'ai lu ça il y a bien trente ans.

Mince, ça m'a l'air intéressant dommage.
Bien sûr, c'est pas demain la veille qu'on créera des choses aussi gigantesques, mais là je ne parle que de théories bien sûr et c'est toujours fascinant de s'imaginer de tels scénarios dans nos petites têtes d'humains

J'ai dit stable au lieu d'instable, je me suis encore trompé
Mais du coup, si dans un vide instable l'énergie est transformée en masse des particules, est-ce que les particules qui apparaissent dans un vide stable sont ce qu'on appelle les particules virtuelles ? Ou bien ces dernières apparaissent-elles dans tous les vides ?

[Deedee81]

est-ce que les particules qui apparaissent dans un vide stable sont ce qu'on appelle les particules virtuelles ? Ou bien ces dernières apparaissent-elles dans tous les vides ?

Les deux mon capitaine. Ce sont des particules virtuelles apparaissant dans tous les vides.

C'est une simple conséquence du principe d'indétermination.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitude
Plus précisément cette relation là :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Princi...s-%C3%A9nergie
Il suffit de considérer un intervalle de temps suffisamment petit. L'incertitude sur l'énergie devient alors assez grande et dès que ça dépasse mc² pour une particule (ou plutôt une paire de particules) donnée, hop, il peut y avoir création/annihilation spontanée de la particule.
Voir aussi : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fluctuation_quantique
Attention aux quelques conditionnels dans cette page (par exemple, la constante cosmologique calculée comme ça est 10^69 fois trop grande !!!! Difficile de faire pire. On appelle cela parfois "la plus mauvaise des estimations théoriques en physique de tous les temps"). Preuve qu'il y a quelque chose qu'on ne comprend pas (et comme on a une bonne centaine d'idée et aucune donnée expérimentale dans ce domaine extrême, on est dans le brouillard quantique )

[flo8585]

De toute façon, il y a beaucoup de conditionnel utilisé dans ce sujet depuis le début
Je crois que je spécule la spéculation elle-même ^^

Mais dans l'hypothèse où on arriverait à créer un tel vide, où l'énergie devient des masses de particules, est-ce que ce système deviendrait autonome par rapport à notre univers? Je sais que l'on ne sait pratiquement rien encore de la matière et de l'énergie noire et qu'on pense seulement qu'elles ont peut-être un rôle dans l'expansion de notre univers. Mais s'il s'avère que leur présence soit inévitable lors de l'apparition de particules dans le vide, est-ce que ce vide commencerait une phase d'expansion, indépendamment de celle de notre univers ? Ce serait un univers qui naît à l'intérieur d'un autre et évolue indépendamment en quelque sorte. Je crois qu'il y a des théories qui existent à ce sujet et qui parlent de bulles d'univers.

[Deedee81]

Je crois que je spécule la spéculation elle-même ^^

Mais dans l'hypothèse où on arriverait à créer un tel vide, où l'énergie devient des masses de particules, est-ce que ce système deviendrait autonome par rapport à notre univers?

Je crois sincèrement que personne ne peut répondre à ça.

Je crois qu'il y a des théories qui existent à ce sujet et qui parlent de bulles d'univers.

Oui, c'est les univers de Linde, c'est de dont on parlait hier.

[flo8585]

Il est vrai que ça va être compliqué d'y répondre. D'ailleurs je me pose une question. Dans un vide énergétique et instable comme on vient de parler, est-ce que le temps et l'espace existe ? Si oui, je crois qu'on a la réponse, cela resterait le même univers. Et même s'il s'agit du même univers mais d'une bulle avec une expansion différente car pas débuté au même moment, qu'est-ce que cela a pour conséquence ? Est-ce que la mort de notre univers signifierait également la mort de cette bulle de vide ? Ou bien continuerait-elle son expansion indépendamment et prendrait le "relai" de notre univers ? Je spécule la spéculation spéculé.

[Deedee81]

Il est vrai que ça va être compliqué d'y répondre. D'ailleurs je me pose une question. Dans un vide énergétique et instable comme on vient de parler, est-ce que le temps et l'espace existe ? Si oui, je crois qu'on a la réponse, cela resterait le même univers. Et même s'il s'agit du même univers mais d'une bulle avec une expansion différente car pas débuté au même moment, qu'est-ce que cela a pour conséquence ? Est-ce que la mort de notre univers signifierait également la mort de cette bulle de vide ? Ou bien continuerait-elle son expansion indépendamment et prendrait le "relai" de notre univers ? Je spécule la spéculation spéculé.

Je crois qu'on peut théoriser ce genre d'idée en disant que cette bulle est dans "notre" univers au départ ou est un autre univers ou est un univers "spécial" (le vide énergétique "bouillonnant" de Linde) ou tout ce qui te viendrait à l'esprit. On peut tout imaginer à ce stade. Yaka plaquer des équations dessus et vogue la galère (c'est un peu ce que je reproche à ce type de spéculation, on peut tout imaginer et son contraire et on peut même le mettre en équation. C'est pour ça que je préfère y aller pas à pas, au moins on sait que l'essentiel est déjà correct et on ne "teste" qu'un petit bout).

[flo8585]

C'est ça que j'ai du mal à cerner avec les équations mathématiques. Il existe des théories qui fonctionnent sur le plan mathématique mais qui n'existent pas dans l'univers (de ce que l'on en sait). Or si une théorie est valable mathématiquement mais que l'on en voit pas dans l'univers, est-ce que cela veut dire qu'on peut tout du moins la créer ?