D'où vient l'immense énergie qui a engendré le big bang ?

[Curieux01]

Bonjour,

d'après les spécialistes, l'univers serait né d'une immense énergie ou chaleur.
Comment expliquer la présence de cette énergie alors que le cosmos sort du néant? Quelqu'un a-t-il une réponse?

Merci de votre réponse éventuelle.
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[6Freddy]

Bonsoir,

Aucun spécialiste en astronomie et astrophysique ne peut dire ça, sauf sous l'influence de l'alcool ou de substances psychotropes.
Les études ont démontré qu'on peut reconstituer l'histoire de l'univers jusqu'à un instant où celui-ci était extrêmement dense et chaud. Plus loin dans le passé, les équations ne donnent plus rien de cohérent et on ne sait rien sur la naissance de l'univers.

Comme il a été déjà dit par plus spécialiste que moi, le néant est un concept philosophique, que l'on peut décrire grossièrement par la non-existence ; tandis que le vide est un concept scientifique, une "chose" observée et décrite rigoureusement. De surcroît, le vide n'est pas vide, mais rempli de particules qui surgissent et se neutralisent mutuellement en permanence.

Je ne sais pas si ma réponse est satisfaisante, mais elle n'est pas éventuelle (allusion à la dernière phrase de ton post : "Merci de votre réponse éventuelle.")

[pm42]

d'après les spécialistes, l'univers serait né d'une immense énergie ou chaleur.

Pas vraiment. Ce que dit la théorie, c'est qu'à un moment, l'Univers était très dense et très chaud. Puis il s'est dilaté et a donc refroidi.

Comment expliquer la présence de cette énergie alors que le cosmos sort du néant?

Le cosmos ne sort pas du néant, c'est une image fausse. Pour faire simple, l'énergie du Big Bang est la même que l'énergie actuelle.

[Curieux01]

Merci 6Freddy et pm42 pour vos réponses rapides et claires.
Donc, si j'ai bien compris, on ignore ce qui ce passait avant le big bang: Celui-ci est parti d'un région très dense et chaude sans qu'on sache d'où venait cette chaleur, et le vide a toujours existé à l'inverse du néant qui est une conception philosophique, et il est constitué de particules en agitation sans qu'on puisse expliquer l'origine de ces particules.
Il faut avouer que ces réponses de la part des spécialistes du cosmos sont un peu ambiguës; mais bon! le savoir ne s'est pas fait en un jour...

[A voir en vidéo sur Futura]

[pm42]

Donc, si j'ai bien compris, on ignore ce qui ce passait avant le big bang

Oui. On ignore même si "avant" a un sens. Il y a plein de théories spéculatives sur le sujet, certaines où il y a un avant dont on pourrait chercher les traces, d'autres non.
On n'a pas encore les moyens de trancher.

Celui-ci est parti d'un région très dense et chaude

Il n'est pas vraiment "parti d'une région". C'est tout l'Univers qui était dense et chaud.
Le Big Bang n'est pas une explosion : c'est vraiment tout l'Univers qui se dilate. S'il est infini, il l'était à l'époque du BigBang et c'est en tout point qu'il était dense, chaud et a commencé à se dilater.

Il faut avouer que ces réponses de la part des spécialistes du cosmos sont un peu ambiguës;

Le problème, c'est qu'on essaie de vulgariser donc de donner des images simples, basées sur notre expérience quotidienne alors que la théorie, ce sont des maths de haut niveau manipulant des concepts pas du tout intuitifs.
Donc c'est forcément imparfait et imprécis.
Et si tu lis de la vulgarisation pour le très grand public ou les enfants, ce sera forcément simplifié et différent d'un article dans Pour la Science qui lui même est beaucoup plus accessible qu'un vrai article publié dans une revue professionnelle.

[invite84967875]

Il faut avouer que ces réponses de la part des spécialistes du cosmos sont un peu ambiguës;.

Le problème, c'est qu'on essaie de vulgariser donc de donner des images simples, basées sur notre expérience quotidienne alors que la théorie, ce sont des maths de haut niveau manipulant des concepts pas du tout intuitifs.

#### supprimé

Sinon les réponses sont correctes hormis une chose que je détaille un peu:

Le problème de finitude de l'univers ne s'applique pas à l'univers observable (il faut bien distinguer les deux) qui lui est mesurable, et pour aller un peu plus loin (juste histoire d'attiser la curiosité de curieux01) même parler de la taille de l'univers observable pose problème, ramener la "taille" uniquement au coté spatial demande un référentiel, et même dans celui idéalisé (le comobile) montre avec une petite analyse que cette notion de taille spatial ne fait même pas sens.

[invite84967875]

Les 2 quotations ne font plus sens du coup, c'est peut-être le smiley qui n'est pas passé? le "on essaie de vulgariser" fait penser que pm42 fait parti des spécialistes, ce qui ne me semble pas être le cas, mais comme il est possible que je me trompe je posais la question, je la réitère sans smiley. Rien de hors charte, juste une question...et c'est pas grave de ne pas être spécialiste...
Edit: Signalement en cours, on va voir si on a le droit de poser une simple question...

[JPL]

Tu as le droit de poser une question de façon neutre, et moi aussi j’ai ce droit : Art137, es-tu un spécialiste ?

[invite84967875]

Non, et je ne le fais pas penser, personnellement j'aurais écrit "Ils essaient de vulgariser" pour ne pas être inclut parmi les spécialistes, sinon mon niveau de "spécialisation" est de l'ordre de L2 en moyenne, suivant les sujets, plus ou beaucoup moins, donc pas spécialiste, mais avec un peu de bagages, j'espère que cette réponse à peu près complète est satisfaisante, bien que tout comme pm42 qui a signalé les 2 messages (donc lu la question réitérée), j'aurais pu m'abstenir de répondre, voilà, pas spécialiste, juste un niveau correct avec une énorme marge de progression.

[bernarddo]

Bonjour,

La question initiale est intéressante.

Et, en effet, ce que postulent les scientifiques, c’est simplement la conservation de l’énergie.

Et ils aimeraient bien aussi pouvoir postuler la conservation des lois physiques pendant toute l’existence de l’univers, mais, sur ce point, ils ont un problème avec le big bang.

Sur le sujet, dans les années 60, Sakharov avait postulé l’existence d’une autre univers que le nôtre, qui conserverait les lois de la physique par inversion:

- du signe des charges électriques (antiparticules), (C)
- de la parité (droite/gauche), (P)
- du sens de la flèche du temps, (T), qui s’écoulerait ainsi du futur vers le passé dans cet univers.

Comme le permet la CPT symétrie de ces lois.

Or le français Jean Marie Souriau a démontré mathématiquement, en 1970, que l’inversion temporelle change le signe de l’énergie, (donc le signe de la masse puisque E = mc^2), transformant la trajectoire d’une masse (m) en mouvement d’une particule de masse (-m).

( Structure des systèmes dynamiques, disponible sur le site : http://jmsouriau.com/structure_des_s...dynamiques.htm)

Si l’on admet la coexistence de ces deux univers, (et elle est mathématiquement possible dans le cadre de la CPT symétrie), on peut conserver les hypothèses de la conservation à la fois des lois physiques et de l’énergie, avec la possiblité que celle-ci pourrait être, (ou non), globalement nulle, sa fraction positive équilibrant la fraction négative.

Ce qui répondrait à la question initiale, en lui enlevant sa raison d’être.

[pascelus]

Bonjour,

d'après les spécialistes, l'univers serait né d'une immense énergie ou chaleur.
Comment expliquer la présence de cette énergie alors que le cosmos sort du néant? Quelqu'un a-t-il une réponse?

Merci de votre réponse éventuelle.

Bonjour,
Il faut garder en-tete que le terme de "naissance" est très anthropocentrique, il vaudrait mieux imaginer le début de la phase de l'univers que nous connaissons, comme la naissance de JC a été posé pour l'an 0 sans pour autant être le début de l'humanité.
Mais on peut imaginer aussi que la notion meme de "début" soit un anthropocentrisme, soit le "temps" une émergence en quelques sortes. Personnellement (et je ne suis pas spécialiste du domaine) j'imagine plutot que la notion de causalité ne soit pas un absolu fondamental et ceux qui maitrisent mieux les phénomènes quantiques en diront peut etre plus...
En tout cas mettre le sujet sous le tapis sous prétexte qu'il n'est pas physique mais méta-physique serait dommage, la question est intéressante.

[pascelus]

...
Ce qui répondrait à la question initiale, en lui enlevant sa raison d’être.

intéressant mais cela fait surgir une autre question tout aussi problématique: quelle serait l'origine de cette inversion?

[AnotherBrick]

Bonjour,

je n'ai pas compris le principe de ce sous-forum, mais si seuls les spécialistes ont le droit d'y répondre, le message partiellement cité ci-dessous viole clairement cette règle...

Et, en effet, ce que postulent les scientifiques, c’est simplement la conservation de l’énergie.

absolument pas. L'énergie est la charge de Noether associée à l'invariance sous les translations temporelles. En relativité générale, ou dans toute théorie géométrique de la gravitation, sa définition est subtile et il n'y a pas de principe de conservation donné a priori.

Et ils aimeraient bien aussi pouvoir postuler la conservation des lois physiques pendant toute l’existence de l’univers, mais, sur ce point, ils ont un problème avec le big bang.

Or le français Jean Marie Souriau a démontré mathématiquement, en 1970, que l’inversion temporelle change le signe de l’énergie, (donc le signe de la masse puisque E = mc^2), transformant la trajectoire d’une masse (m) en mouvement d’une particule de masse (-m).

c'est votre ami JPP qui vous a raconté ça ?

[JPL]

je n'ai pas compris le principe de ce sous-forum, mais si seuls les spécialistes ont le droit d'y répondre,

Non, les discussions sont libres mais il n’est pas interdit de demander, à condition que ce soit courtois, quelle est la compétence d’un intervenant. Le problème c’est que souvent ce n’est pas courtois.

[AnotherBrick]

Non, les discussions sont libres

le titre est donc bien choisi

Le problème c’est que souvent ce n’est pas courtois.

très étonnant sur un forum

[pm42]

Non, les discussions sont libres mais il n’est pas interdit de demander, à condition que ce soit courtois, quelle est la compétence d’un intervenant. Le problème c’est que souvent ce n’est pas courtois.

Dans le cas présent si quelqu’un m’avait demandé si le «*on*» m’incluait, j’aurais répondu que c’était juste un terme générique. De même si on m’avait demandé ce que je vaut en maths, j’aurais pu être précis.

Mais quel est l’interêt ? On devrait plus essayer de répondre aux questions plutôt que de chercher la petite bête sur les réponses déjà faites.
D’autant que si on peut faire mieux, autant en faire profiter tout le monde. Si on ne peut pas faire mieux, la critique est facile mais un peu stérile.
Fin du HS pour moi.

[Curieux01]

Bonsoir,

Je ne pensais pas que ma question provoquerait autant de polémiques*!
Je suis loin d’être un spécialiste en matière de cosmos, et de plus je n’ai pas grande expérience des forums. Mais les explications données, vulgarisées ou beaucoup plus approfondies me conviennent très bien*!
D’après vos réponses, il faut reconnaître que le sujet est loin d’être tranché même par les professionnels de l’univers*.
Ce que je retiens, sauf erreur de ma part, c’est que les premiers instants de l’univers ne sont qu’une étape dans la création du cosmos...*; et aussi, que la notion de néant semble horripiler beaucoup de spécialistes alors que par ailleurs aucune explication n’est donnée sur l’origine de l’énergie primordiale. Il semblerait que l’existence d’univers parallèles soit aussi évoquée, avec les solutions prometteuses que cela apporterait à beaucoup d’énigmes actuelles . Malgré tout, aucune proposition ne semble émerger des joutes mathématiques incompréhensibles . Le début du monde devrait pourtant s’expliquer de façon simple puisqu’il s*»agit d’un commencement*!

[JPL]

Le début du monde devrait pourtant s’expliquer de façon simple puisqu’il s*»agit d’un commencement*!

Justement, c'est ça le problème. Rien ne dit que ce soit un commencement du genre Rien ---> Univers. C’est peut-être tout simplement une fluctuation à partir d’un état préexistant. Il faut accepter qu’il y ait en science des choses qui échappent à notre connaissance, même si les scientifiques s’efforcent d’en repousser les limites.

[invite84967875]

Dans le cas présent si quelqu’un m’avait demandé si le «*on*» m’incluait, j’aurais répondu que c’était juste un terme générique. De même si on m’avait demandé ce que je vaut en maths, j’aurais pu être précis.

Mais quel est l’interêt ? On devrait plus essayer de répondre aux questions plutôt que de chercher la petite bête sur les réponses déjà faites.
D’autant que si on peut faire mieux, autant en faire profiter tout le monde. Si on ne peut pas faire mieux, la critique est facile mais un peu stérile.
Fin du HS pour moi.

J'ai demandé 2 fois et tu as lu puisque signalé, d'ailleurs JPL peux si il le veut regarder l'historique des messages effacés/modifiés et dire ce qu'il en ai, la question a bien été posée, 2 fois, mais cela n'a aucun intérêt nous, nous savons, juste ne pas travestir les choses, merci.Et je n'ai pas cherché la petite bête, j'ai même dit que les réponses que tu as faites étaient correctes, sauf pour une partie que j'ai rectifié pour "en faire profiter tout le monde".
Fin du HS pour moi également.

Le début du monde devrait pourtant s’expliquer de façon simple puisqu’il s*»agit d’un commencement*!

Pour compléter la réponse de JPL, en plus de cela, rien ne dit que le monde doit s'exprimer de manière simple, d'ailleurs quand on regarde les théories modernes ce n'est pas le cas, alors pourquoi cela le serait il pour le "commencement"?

[pascelus]

Justement, c'est ça le problème. Rien ne dit que ce soit un commencement du genre Rien ---> Univers. C’est peut-être tout simplement une fluctuation à partir d’un état préexistant.

On peut malgré tout se dire que Rien ---> Univers est impossible. C'est pour ça qu'il va bien falloir imaginer une rupture dans notre logique apparemment solide de la causalité ou de "l'écoulement" du temps. (meme la fluctuation à partir d'un état préexistant poserait la question de l'origine de cet état)

Il faut accepter qu’il y ait en science des choses qui échappent à notre connaissance, même si les scientifiques s’efforcent d’en repousser les limites.

Pas le choix en effet. Mais c'est peut etre une piste de principe pour casser des dogmes en physique, ou les compléter plutot.

Einstein (et d'autres) ont déjà bien progressé en détruisant cette notion de temps absolu encore si intuitive au quotidien.

[Gilgamesh]

Bonjour,

d'après les spécialistes, l'univers serait né d'une immense énergie ou chaleur.
Comment expliquer la présence de cette énergie alors que le cosmos sort du néant? Quelqu'un a-t-il une réponse?

Merci de votre réponse éventuelle.

Je vais reprendre le cours de A. Guth au MIT qui explique ça de manière très claire.
Pour ceux que l'anglais ne rebute pas, je vous conseille ce cycle complet de 29 cours.
https://ocw.mit.edu/courses/physics/...ideo-lectures/


(repost)
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 appelle qu'à la matière, au rayonnement et à la gravité, 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" c-à-d 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.

[Gilgamesh]

(suite et fin)



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(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.

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".

[pm42]

D’après vos réponses, il faut reconnaître que le sujet est loin d’être tranché même par les professionnels de l’univers*.

En même temps, il n'y pas si longtemps, on ne savait même pas si l'Univers n'était pas limité à notre galaxie.
Donc oui, il reste plein de questions en suspens mais les progrès faits en un peu plus de un siècle sont impressionnants.

et aussi, que la notion de néant semble horripiler beaucoup de spécialistes

Ce n'est pas qu'elle horripile, c'est juste qu'elle n'a pas forcément de sens dans le cadre des théories actuelles.

aucune proposition ne semble émerger des joutes mathématiques incompréhensibles

C'est le contraire : de nombreuses explications émergent mais on ne sais pas encore laquelle choisir. C'est le signe d'une recherche active.

. Le début du monde devrait pourtant s’expliquer de façon simple puisqu’il s*»agit d’un commencement*!

Pourquoi ? On pourrait appliquer ce genre de principe à plein de choses et par exemple dire "la conception d'un nouvel être humain et sa naissance devraient s'expliquer de façon simple puisqu'il s'agit d'un commencement". Pourtant l'ensemble des mécanismes sont variés et complexes. Pour l'Univers, c'est pareil.

[Curieux01]

Bonjour,

Merci à tous. Au sujet du cours de A.Guth que Gilgamesh met dans cette discussion (ouch ! j’en ai pour une semaine à l’assimiler !), il est évident qu’il est magistral et que ce doit être une référence pour tous les spécialistes. Pourtant, pour l’amateur curieux et têtu que je suis, il laisse un sentiment d’inassouvissement ; sachant que le vide est peuplé d’énergie et de particules, d’où viennent ces deux choses ?
Comme le dit JPL : « Il faut accepter qu’il y ait en science des choses qui échappent à notre connaissance, même si les scientifiques s’efforcent d’en repousser les limites. » .
Justement les scientifiques depuis plus d’un siècle raisonnent avec des démonstrations mathématiques, en évinçant la notion d’éther. C’était peut-être dommage d’abandonner cette voie sans essayer de l’approfondir. C’est dans ce sens que j’ai essayé de raisonner, et j’aurais voulu débattre avec vous de mes suppositions élaborées a partir d’un expérience pratique toute simple étayée par des calculs dont les résultats sont en accord avec la plupart des théories académiques; mais dans cette « discussion libre » je me suis trompé de forum, et considérée hors charte ma réflexion a été déplacée. Au temps pour moi !

[Deedee81]

Salut,

sachant que le vide est peuplé d’énergie et de particules, d’où viennent ces deux choses ?

Ca ça revient à se demander "pourquoi les choses sont-elles ainsi et pas autrement". Et ma foi c'est une question philosophique, mais pas scientifique. Tout ce que fait la science c'est décrire les choses telles qu'elles sont. Et si ton "d'où viennent" font référence à une éventuellement origine, on n'en sait rien, les théories validées ne remontant que grosso modo à la soupe de quarks et l'inflation, plus loin c'est encore très spéculatif.

Comme le dit JPL : « Il faut accepter qu’il y ait en science des choses qui échappent à notre connaissance, même si les scientifiques s’efforcent d’en repousser les limites. » .
Justement les scientifiques depuis plus d’un siècle raisonnent avec des démonstrations mathématiques, en évinçant la notion d’éther. C’était peut-être dommage d’abandonner cette voie sans essayer de l’approfondir.

Je dirais plutôt "tant mieux" En effet :
- D'une part le terme "d'éther" est un terme terriblement galvaudé. On a attribué le nom d'éther a une bonne centaine de choses différentes, y compris au champ gravitationnel ou au vide quantique. Le terme est devenu tellement polysémique que lorsque on dit "éther" on ne sait même plus de quoi on parle. On dirait schmilblick que ce ne serait pas mieux. Ce terme est donc à éviter simplement par ce qu'il ne sert à rien de donner un nom comme éther à des choses qui ont déjà un nom (pourquoi appeller le vide quantique "éther", sauf à vouloir faire son intéressant, ça a déjà un nom : "vide quantique", gardons-le. Appelons un chat un chat). D'autre part la physique ce n'est pas de la littérature. Suffit pas d'employer un terme pour faire de la physique qui est avant tout des mesures expérimentales réelles et des développements mathématiques. La confusion philosophie/physique/littérature est tellement courante que je ne compte plus le nombre de fois où j'ai vu ça. La vulgarisation de mauvaise qualité devenue ultra courante n'est pas étrangère à ça, hélas. Un début pour avoir de meilleures marques :
https://forums.futura-sciences.com/p...e-theorie.html
- D'autre part, l'ancienne notion d'éther appelée éther luminifère (qui a subit plusieurs évolutions et même radicales entre l'éther antique, de Descartes jusqu'à Poincaré) a été totalement invalidée. Et il est donc normal de rejeter un concept qui est contredit pas les observations.
Plus de précision ici :
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89ther_(physique)
Plus complet en anglais. Dans mon introduction à la relativité restreinte (Vidéos par MP si ça t'intéresse), je présente aussi les expériences dites "fondatrices" plus des aspects de l'électromagnétisme et l'ensemble des hypothèses possibles sur le mouvement de la lumière avec un tableau de synthèse qui montre que l'éther (et d'autres idées) sont bonnes pour la poubelle.

C’est dans ce sens que j’ai essayé de raisonner, et j’aurais voulu débattre avec vous de mes suppositions élaborées a partir d’un expérience pratique toute simple étayée par des calculs dont les résultats sont en accord avec la plupart des théories académiques; mais dans cette « discussion libre » je me suis trompé de forum, et considérée hors charte ma réflexion a été déplacée. Au temps pour moi !

Deux choses :
- D'une part, voir le lien sur "qu'est-ce qu'une théorie" ci-dessus, raisonnement quel que soit son niveau de connaissance est loin d'être évident. Parfois le monde réel est si étrange et exotique qu'en l'absence d'une connaissance technique approfondie on ne peut que raisonner "logiquement" à la manière d'Aristote et consorts .... et pondre des bêtises aux kilomètres. Mais contrairement à eux, il n'y a pas d'excuse : des progrès énormes ont été fait et il est normal de connaitre l'état de l'art avant de commencer à réfléchir au-delà.
- D'autre part, là le soucis est uniquement lié à Futura pas à la science, ce n'est pas sur un forum que l'on fait de la science. Jamais dans toute l'histoire (ou en se limitant à l'histoire d'internet ) rien n'a été découvert ainsi (exception notable : les projets collaboratifs mais ceux-ci sont presque toujours en math et toujours très encadrés).
Même plus anciennement, il y a parfois un peu des légendes urbaines sur des"génies" sortant de nul part et découvrant "la vérité", comme avec Wegener (dérive des continents), Faraday (cancre total en math), Einstein (cancre tout court). Mais rien n'est plus faux : Wegener était un scientifique (même si ce n'était pas son domaine) et s'est basé sur des données réelles relevées sur la planète, tout comme Mendel qui était loin d'être un ignorant (il avait suivi des études poussées) et a patiemment accumulé les données, Einstein n'était pas un cancre (rappelons qu'il a fait Polytechnique, quand même, il avait juste un fâcheuse tendance à négliger ce qui ne l'intéressait pas.... mais il a par contre étudié par lui-même l'électromagnétisme non enseigné à l'époque) et il communiquait avec les scientifiques de son temps même lorsqu'il travaillait au bureau des brevets (où son chef conscient de son niveau, lui foutait une paix royale ), et oui Faraday était un cancre en math mais un génie de l'expérimentation et c'est cela qu'il a fait : expérimenter (la théorie ensuite c'est Maxwell).

Dur dur la réalité. Mais on s'y fait et la science étant passionnante, c'est un plaisir de prendre un gros bouquin (technique, pas de la vulgarisation) comme livre de chevet

Bref, il suffit de fréquenter des forums non modérés pour y voir que ce sont les poubelles du net : idées débiles, disputes, hors thématiques, spam....
Et donc futura a posé des règles : il s'agit ici de discuter de la science validée (ou tout au moins publiée dans les revues internationales à commité de lecture reconnues par les scientifiques) et rien d'autre.

[Gilgamesh]

Bonjour,

Merci à tous. Au sujet du cours de A.Guth que Gilgamesh met dans cette discussion (ouch ! j’en ai pour une semaine à l’assimiler !), il est évident qu’il est magistral et que ce doit être une référence pour tous les spécialistes. Pourtant, pour l’amateur curieux et têtu que je suis, il laisse un sentiment d’inassouvissement ; sachant que le vide est peuplé d’énergie et de particules, d’où viennent ces deux choses ?
Comme le dit JPL : « Il faut accepter qu’il y ait en science des choses qui échappent à notre connaissance, même si les scientifiques s’efforcent d’en repousser les limites. » .
Justement les scientifiques depuis plus d’un siècle raisonnent avec des démonstrations mathématiques, en évinçant la notion d’éther. C’était peut-être dommage d’abandonner cette voie sans essayer de l’approfondir. C’est dans ce sens que j’ai essayé de raisonner, et j’aurais voulu débattre avec vous de mes suppositions élaborées a partir d’un expérience pratique toute simple étayée par des calculs dont les résultats sont en accord avec la plupart des théories académiques; mais dans cette « discussion libre » je me suis trompé de forum, et considérée hors charte ma réflexion a été déplacée. Au temps pour moi !

On aurait très bien pu appeler "éther" le vide quantique, si tu veux. Ce qui est important ce sont ses propriétés. L'idée fondamentale est de dire que quand je retire toutes les particules d'une boite, il reste les champs quantiques. Et ce n'est pas rien. Le champ quantique c'est l'objet véritablement fondamental de la théorie, il faut voir la particule associée comme un by product de ce champ. Le champs possède des niveaux d'énergie quantifiés, et le quantum d'énergie c'est précisément ce qu'on appelle une particule. Les mathématiques qui décrivent l'état de ces champs font apparaître qu'en l'absence de particule, on a un état d'énergie résiduel (hv/2). C'est pas un truc qu'on a mis à la main dans la théorie, c'est une conséquence fondamentale de la nature quantique du monde. Se demander pourquoi "le vide est peuplé d’énergie et de particules" revient à se demander pourquoi le monde est quantique.

[Curieux01]

Merci Gilgamesh, ton explication est très claire et commence à me plaire parce qu'elle rejoint la réflexion que je m'étais faite sans la formuler avec des arguments scientifiques.

[Deedee81]

A noter qu'on a souvent discuté de cet aspect des "particules virtuelles", en particulier dans le forum de physique.

Voir par exemple :
https://forums.futura-sciences.com/p...quantique.html

En particulier le message 48 où je donne pas mal d'explications (mais le sujet mériterait plusieurs pages, c'est vaste, très délicat car très contre-intuitif et parfois très compliqué).
ou encore
https://forums.futura-sciences.com/p...irtuelles.html
ou
https://forums.futura-sciences.com/p...quantique.html

Voir aussi wikipedia et d'autres sources. Ce n'est pas ce qui manque.

Si tu as des questions (pas des réflexions ) n'hésite pas.

[Curieux01]

Merci Deedee81 de m'avoir remis sur la voie avec ton "raisonnement"! Avec tous les liens que tu m'as transmis, j'ai de la lecture, passionnante j'en suis convaincu.

[spark1]

Très bonne question curieux
Le grand bang issue d'une singularité initiale ou l'univers de la taille d'un atome aurait été extrêmement dense et chaud,
La question legitime et rationelle est naturellement de se demander d'où viendrait cette singularité, et la reponse du modele actuel qui a mise en place cette singularité, est on ne sait pas, c'est magnifique

D'ailleurs si le bigbang avait un avant cela ne serait + le bigbang, et s'il n'avait pas d'avant s'est contraire a toute rationnalité et aux principes physiques, « tout effet doit avoir une cause antérieure » et « pas de création ex nihilo »