Expansion de l'Univers et champs gravitationnels

[curiossss]

Bonjour,

J'aimerais discuter du point suivant :
Dans un Univers en expansion, si l'expansion se fait à l'intérieur de champs gravitationnels (ce qui est le cas si l'étendue des champs gravitationnels est infinie) alors il y a augmentation de l'énergie potentielle (gravitationnelle) des corps baignant dans ces champs gravitationnels (*).

D'où vient l'énergie ?

Si on évoque l'énergie noire comme source de cette énergie potentielle donnée à la matière alors l'énergie noire devrait baisser au cours du temps (de moins en moins vite à cause de l'expansion, mais elle est aussi de plus en plus diluée, alors la 'pression' de dilatation diminuerait peut-être, ou pas).
Que sait-on à ce sujet et que prédisent les modèles ?

Merci.

(*) exemple : si on augmente la distance Terre-Soleil de quelques mètres alors ça revient à donner à la Terre un peu plus d'énergie potentielle dans le champ de gravitation du Soleil.
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[Deedee81]

Salut,

si l'expansion se fait à l'intérieur de champs gravitationnels

Cette expression n'a aucune signification.

Ta voiture, elle se déplace dans un champ de vitesse ?

D'où vient l'énergie ?

L'énergie est là dès le départ (et on ne sait pas comment ça a commencé).

(*) exemple : si on augmente la distance Terre-Soleil de quelques mètres alors ça revient à donner à la Terre un peu plus d'énergie potentielle dans le champ de gravitation du Soleil.

Oui mais son énergie cinétique diminue.... l'énergie totale restant inchangée (c'est plus délicat comme notion quand on parle de l'univers dans sa globalité, mais le principe est le même).

[curiossss]

Salut,
Cette expression n'a aucune signification.
Ta voiture, elle se déplace dans un champ de vitesse ?

Etant donné qu'il n'existe nulle part dans l'univers sans champ gravitationnel (même minime), l'expansion de l'espace a forcément lieu au sein d'un champ gravitationnel. C'est une Lapalissade

L'énergie est là dès le départ (et on ne sait pas comment ça a commencé).

Donc c'est ce qui est nommé énergie noire.

Oui mais son énergie cinétique diminue.... l'énergie totale restant inchangée (c'est plus délicat comme notion quand on parle de l'univers dans sa globalité, mais le principe est le même).

A condition qu'elle diminue. Dans ce cas il y a transfert de l'énergie cinétique en énergie potentielle comme quand on jette une pomme en l'air.
Mais je voulais parler du cas où les vitesses restent constantes, car je ne pense pas avoir lu que les énergies cinétiques diminuent (donc les vitesses), et pour ce qui est de la vitesse des étoiles en bord de galaxies c'est même le contraire mais là c'est la matière noire qui est censée l'expliquer.

En résumé de ce qui précède : si les vitesses orbitales ne diminuent pas pour compenser l'éloignement des astres entre eux alors l'énergie potentielle supplémentaire viendrait de ce qu'on désigne énergie noire. Alors avec le temps la quantité d'énergie noire disponible pour l'expansion devrait diminuer. Ou bien je me trompe ?

[pm42]

Etant donné qu'il n'existe nulle part dans l'univers sans champ gravitationnel (même minime), l'expansion de l'espace a forcément lieu au sein d'un champ gravitationnel. C'est une Lapalissade

Quel est l’interêt de poser une question si c’est pour expliquer à ceux qui connaissent mieux sue toi et qui te répondent ?
Parce que ce que tu as dit n’est pas un lapalissade du tout, c’est juste une confusion sur ce qu’est l’expansion.

[A voir en vidéo sur Futura]

[curiossss]

Quel est l’interêt de poser une question si c’est pour expliquer à ceux qui connaissent mieux sue toi et qui te répondent ?
Parce que ce que tu as dit n’est pas un lapalissade du tout, c’est juste une confusion sur ce qu’est l’expansion.

Bon, ok, décidément je n'arrive pas à me faire comprendre.
Imaginons que l'Univers se résume au système solaire. Dans le système solaire le champ gravitationnel du soleil est présent partout. Maintenant imaginons qu'il y ait une expansion de l'espace repoussant les planètes de plus en plus loin du Soleil : l'expansion de l'espace a bien lieu là où existe un champ gravitationnel. Je n'ai rien voulu dire d'autre. Et si c'est une confusion peux-tu expliquer laquelle ?

[Pio2001]

Bon, ok, décidément je n'arrive pas à me faire comprendre.

Pour moi ta question est claire : lorsque la distance entre notre galaxie et une galaxie lointaine augmente du fait de l'expansion de l'espace, leur énergie potentielle gravitationnelle mutuelle augmente.
Or l'énergie se conserve. D'où vient le surplus d'énergie potentielle dans ce cas ?

Je n'ai pas la réponse, mais cela n'a rien à voir avec l'énergie noire, car même sans énergie noire, il y a quand même expansion de l'espace.

[pm42]

D'où vient l'énergie ?

C'est un peu la même question que de dire que l'expansion augmente les longueurs d'onde de tous les photons et leur fait donc perdre de l'énergie. Et donc où passe t-elle ?

Gilgamesh a expliqué cela plusieurs fois et largement mieux que je ne saurais le faire mais en gros, il n'y a pas de conservation de l'énergie à l'échelle de l'Univers : c'est une loi locale.
Il faudrait retrouver un de ses posts.

En attendant, je suis tombé là dessus en faisant une recherche vite fait :

https://forums.futura-sciences.com/a...-lenergie.html
https://www.pourlascience.fr/sd/cosm...ergie-1774.php

[curiossss]

Je n'ai pas la réponse, mais cela n'a rien à voir avec l'énergie noire, car même sans énergie noire, il y a quand même expansion de l'espace.

J'avais lu que l'énergie noire était à l'origine de l'accélération de l'expansion de l'espace. Alors je m'étais dit qu'elle était à l'origine de l'expansion tout court. Il est vrai que jusqu'à présent Matière Noire et Energie Noire pour moi c'était des explications tombées du ciel, je consacrais mon temps de lecture à des théories plus établies, et j'attendais des confirmations dans ce domaine encore spéculatif.

@PM42 : Alors là je suis sur le c...! Pas de conservation globale de l'énergie ? Je ne suis pas prêt à entendre ça aujourd'hui, on verra demain.

[pm42]

J'avais lu que l'énergie noire était à l'origine de l'accélération de l'expansion de l'espace

Oui, de l'accélération de son expansion. Pas de son expansion.
Sans énergie noire, il y a expansion. Avec, il en a aussi mais plus vite.

[mach3]

1) comme déjà dit, l'énergie ne se conserve pas en toute rigueur. Elle se conserve localement, tout comme la quantité de mouvement (c'est à dire que si on considère un volume suffisamment petit, les variations d'énergie et de quantité de mouvement à l'intérieur sont la différence entre ce qui rentre et ce qui sort du volume). Mais comme l'espace-temps n'est pas plat, cette conservation peut ne pas être respectée au global (dès que le volume considéré est trop grand pour négliger la courbure, il y a création ou destruction d'énergie et de quantité de mouvement). En particulier, un univers en expansion n'est pas pas invariant par translation temporelle, donc l'énergie ne s'y conserve pas (Noether).

2) en relativité générale, il n'y a pas à proprement parler d'énergie potentielle. On peut construire des grandeurs qui vont jouer ce rôle dans certaines géométries (par exemple Schwarzschild), mais ce sont des cas particuliers. Qui dit énergie potentielle, dit champ de force (le second étant le gradient du premier), hors en RG, la gravitation n'est pas un champ de force. En choississant un système de coordonnées, on peut interpréter les accélérations coordonnées des trajectoires de chute libre comme étant dues à des forces (fictives) et si possible construire une énergie potentielle (faut que le champ de force soit un gradient, pas certain que ce soit toujours le cas), mais cette énergie potentielle dépend alors totalement du choix arbitraire du système de coordonnées : il ne s'agit pas d'une entité physique, mais d'une construction artificielle. A noter que le statut de l'énergie potentielle de gravitation chez Newton n'est guère plus solide à bien y regarder (si on ne peut pas supposer que l'univers est un îlot de matière entouré de vide, on ne peut pas fixer l'énergie potentielle à 0 à l'infini comme c'est usuellement fait, et patatras).

m@ch3

[Pio2001]

Roger Penrose donne quelques détails sur cette question dans son livre A La Découverte des Lois de L'Univers (2004). Je résume ici ce qu'il dit.

Dans le chapitre 19.8 Energie du champ gravitationnel, Roger Penrose indique qu'une telle énergie n'a pas sa place dans le tenseur énergie-impulsion, mais qu'elle joue tout de même un rôle physique.

Il donne l'exemple de deux planètes qui sont plus ou moins proches l'une de l'autre. Si les planètes sont éloignées l'une de l'autre, alors la contrubution de l'énergie potentielle négative (newtonienne) est moins grande que si elles sont proches. Ainsi l'énergie totale (et donc la masse totale du système) est plus grande malgré le fait que les densités d'énergie totales mesurées par les tenseurs énergie-impulsion dans les deux cas sont pratiquement les mêmes.

Il donne ensuite l'exemple des pulsars binaires qui perdent de l'énergie rayonnée sous forme d'ondes gravitationnelles. Il dit que le fait que les ondulations de l'espace vide constituant les ondes gravitationnelles emportent bel et bien de l'énergie est une question fondamentale.
Dans le vide, le tenseur énergie-impulsion vaut zéro, si bien que l'énergie des ondes gravitationnelles doit être mesurée par un autre biais.

Il indique que l'on a une réponse claire à la question dans le cas des systèmes "asymptotiquements plats" (qui peuvent être vus comme isolés du reste de l'univers), et que les travaux de Hermann Bondi et de ses collaborateurs, généralisés par Rayner Sachs (1961, 1962) ont conduit à une loi de conservation de l'énergie-impulsion qui ne présente pas le caractère local de celle des champs non gravitationnels, et ne s'applique de manière exacte que dans la limite à laquelle le système devient complètement isolé, spatialement, de tout le reste.

[spark1]

pm42 :

il n'y a pas de conservation de l'énergie à l'échelle de l'Univers

C'est donc contraire aux lois de la physique,
J'ai l'impression que le dicton de la science actuelle c'est "quand la realité ne correspond pas a la theorie, c'est qu'il ya un probleme avec la realité"
C'est le monde a l'envers quoi..

[Deedee81]

Salut,

C'est donc contraire aux lois de la physique,

Non, non. Bon, plutôt que de répéter une centième fois sur Futura pourquoi la conservation de l'énergie ne s'applique pas ici, le mieux est sans doute d'arriver à comprendre par toi même. Donc :

- En dehors de toute situation connue, simplement à partir de la définition générale de l'énergie, sous quelles conditions théorique cette grandeur est-elle une grandeur conservée ?

Si tu sais répondre à ça, tu auras fait la moitié du chemin pour comprendre.

J'ai l'impression que le dicton de la science actuelle c'est "quand la realité ne correspond pas a la theorie, c'est qu'il ya un probleme avec la realité"
C'est le monde a l'envers quoi..

Attention, quand on porte ce genre de jugement sur des travaux théoriques dont on est ignorant, cela conduit à des propos qui ne ridiculisent que leur auteur !!!!

[mach3]

C'est donc contraire aux lois de la physique,

Ca fait partie des lois de la physique depuis 1915, le théorême de Noether implique que l'énergie est conservée si et seulement si il y a une symétrie par translation temporelle :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...her_(physique)
https://en.wikipedia.org/wiki/Noether%27s_theorem

En relativité générale, il n'y a aucune obligation de symétrie par translation temporelle autre que locale, et donc pas de conservation de l'énergie autrement que localement. Seul un modèle d'univers (ou de portion d'univers) statique (par exemple celui qu'Einstein a conçu au départ, puis rejeté car non conforme au observations, avec une constante cosmologique parfaitement ajustée, ou encore la métrique extérieure de Schwarzschild) permet une conservation globale de l'énergie en relativité générale.

Tout cela est connu et intégré depuis une centaine d'années.

m@ch3

[spark1]

Je cherche deja une explication rationnelle au fait que l’énergie sombre doit rester constante sur de multiples augmentations exponentielles en volume en raison de l’expansion, mais prétendre que l’énergie sombre en quelque sorte * augmente * en densité au fur et a mesure que le volume augmente, cela pose un projecteur sur la violation de la conservation de l’énergie

[Deedee81]

Sans compter que l'énergie du champ gravitationnel est forcément non locale. Ce qui pose aussi des difficultés, c'est pour ça que stricto sensus on peut calculer l'énergie totale d'une étoile (par exemple) en considérant que loin de l'étoile l'espace-temps est de Minkowski (en première approximation) et en utilisant les orbites Kepleriennes.
(pfff j'espérais que spark cherche par lui-même , enfin, bon, on verra)

[Deedee81]

On s'est croisé.

Je cherche deja une explication rationnelle au fait que l’énergie sombre doit rester constante

C'est sa densité qui serait constante (j'insiste sur le conditionnel). Même explications que ci-dessus. Dans ce contexte l'énergie n'est pas nécessairement globalement une grandeur conservée (le tenseur énergie-impulsion, pour la "matière ordinaire", reste une quantité localement conservée).

[mach3]

....annulé...

[spark1]

Je rapelle que les experiences depuis des decennies, ainsi que les derniers essais en date en laboratoire et un echec cuisant pour l'existence de l'energie noire,

https://www.imperial.ac.uk/news/1925...arrows-search/

[Deedee81]

Je rapelle que les experiences depuis des decennies, ainsi que les derniers essais en date en laboratoire et un echec cuisant pour l'existence de l'energie noire,

Attention, ça n'invalide qu'un infime fraction des possibilités pour l'énergie noire. L'accélération de l'expansion elle est un fait, on l'appelle (un peu abusivement) énergie noire. Donc elle ne saurait pas être invalidée. Par contre sur les dizaines et dizaines d'hypothèses sur sa nature, il y en a qu'on peut invalider.

[pm42]

Il est un peu dommage que ce fil dérive parce que spark1 veut absolument trouver des erreurs dans la physique qu'il ne connaît pas et que chaque fois qu'on lui en corrige une, il fait comme de si de rien n'était et en invente une autre.

On est passé de "l'énergie se conserve tout le temps" à "l'énergie noire ne peut pas rester constante" à "l'énergie noire n'existe pas".
Au rythme actuel, on va sans doute terminer avec "l'éther existe" et "la Terre est plate".

[Deedee81]

"l'éther existe" et "la Terre est plate".

Ne faisons pas de procès d'intention, l'énergie noire intervenant dans le bilan global la question pouvait évidemment se poser. Mais pour le reste t'as pas faux, je suis bien obligé de l'admettre.

Bon, pour être juste il y a eut des références pour Noether j'aurais dû en mettre pour l'histoire de la localité (sinon on peut trouver ça dans le livre Gravitation, y compris pour les orbites kepleriennes. Kip Thorn explique ça fort bien). Pas contre pour la densité de l'énergie noire je connais moins bien (pour l'énergie du vide oui mais on sait que ce n'est pas juste ça sinon il y aurait un soucis). Si quelqu'un a des références c'est le bien venu.

On verra ce qu'en dit spark. S'il a compris ou s'il a d'autres questions ou besoin d'autres références.

[curiossss]

J'ai une question concernant la phrase que j'ai mise en gras :

1) comme déjà dit, l'énergie ne se conserve pas en toute rigueur. Elle se conserve localement, tout comme la quantité de mouvement (c'est à dire que si on considère un volume suffisamment petit, les variations d'énergie et de quantité de mouvement à l'intérieur sont la différence entre ce qui rentre et ce qui sort du volume). Mais comme l'espace-temps n'est pas plat, cette conservation peut ne pas être respectée au global (dès que le volume considéré est trop grand pour négliger la courbure, il y a création ou destruction d'énergie et de quantité de mouvement). En particulier, un univers en expansion n'est pas pas invariant par translation temporelle, donc l'énergie ne s'y conserve pas (Noether).
...
m@ch3

Dans la RG la courbure de l'espace remplace le champ gravitationnel et par extension l'énergie potentielle de ce champ (excusez-moi si je n'emploie pas les termes les plus adaptés).
On peut être tentés de penser que cette courbure de l'espace-temps est crée par de l'énergie ponctionnée sur la matière qui crée cette courbure autour d'elle.
Dans ce cas peut-on imaginer que si on tient compte de ce delta d'énergie il y aurait conservation de l'énergie ? (autrement dit, l'énergie peut se manifester sous de multiples formes et si on en oublie une on peut croire à la non-conservation de l'énergie).
Je suppose que tout cela a été anticipé, calculé et pris en compte mais je voudrais une confirmation. Merci.

Il y a-t-il un cas de non conservation de l'énergie mesuré ? Ou c'est juste théoriquement ?

[Deedee81]

J'ai une question concernant la phrase que j'ai mise en gras :
Dans la RG la courbure de l'espace remplace le champ gravitationnel et par extension l'énergie potentielle de ce champ (excusez-moi si je n'emploie pas les termes les plus adaptés).
On peut être tentés de penser que cette courbure de l'espace-temps est crée par de l'énergie ponctionnée sur la matière qui crée cette courbure autour d'elle.
Dans ce cas peut-on imaginer que si on tient compte de ce delta d'énergie il y aurait conservation de l'énergie ? (autrement dit, l'énergie peut se manifester sous de multiples formes et si on en oublie une on peut croire à la non-conservation de l'énergie).
Je suppose que tout cela a été anticipé, calculé et pris en compte mais je voudrais une confirmation. Merci.

Il y a-t-il un cas de non conservation de l'énergie mesuré ? Ou c'est juste théoriquement ?

Plus le temps (sic) aujourd'hui. Mais pour parler conservation de l'énergie il faut dire "identique au cours du temps". Mais quel temps ? Essaie de définir un "temps" dans un espace-temps courbe !!!!

[curiossss]

Plus le temps (sic) aujourd'hui. Mais pour parler conservation de l'énergie il faut dire "identique au cours du temps". Mais quel temps ? Essaie de définir un "temps" dans un espace-temps courbe !!!!

Si dans un volume fermé les fluctuations des énergies locales se compensent et le total est constant on peut se passer du temps.

Par ailleurs si on découpe l'univers (même courbe) en un somme de petites portions de l'univers et dans dans chaque petite portion l'énergie est conservée alors je suis tenté de dire que l'énergie de la somme des parties est aussi conservée.
Après si une théorie mathématique me prouve le contraire je serais tenté de penser que cette théorie raisonne sur un univers virtuel qui n'est pas le nôtre (on peut construite beaucoup d'édifices mathématiques (univers mathématiques), tous justes par rapport à leurs postulats, sans qu'aucun ne corresponde à notre univers).
Je suis intéressé par toute expérimentation qui prouverait une non-conservation de l'énergie.

Je suis partagé entre la confiance que je donne à tous ceux qui réfléchissent à tout ça depuis un siècle, et d'autre part à ma méfiance envers des théories qui complexifient notre univers. L'avenir m'éclairera...

[JPL]

L'avenir m'éclairera...

Si tu y mets de la bonne volonté au lieu d’y mettre du doute systématique.

[pm42]

je suis tenté de dire que l'énergie de la somme des parties est aussi conservée.
Après si une théorie mathématique me prouve le contraire je serais tenté de penser que cette théorie raisonne sur un univers virtuel qui n'est pas le nôtre

Tu fais plus confiance à ton intuition qui est fausse qu'aux maths.

Les physiciens eux ont une méthode qui consiste à faire des théories basées sur les maths, à vérifier qu'elles sont solides théoriquement puis à faire des expériences pour les valider expérimentalement.
Et quand les expériences donnent les résultats attendus, ils les reproduisent, cherchent d'autres façon de valider puis des façons d'augmenter la précision.
Et quand tout ça marche depuis 1 siècle comme ce dont on parle ici, ils cherchent à aller encore plus loin, à dépasser le domaine de validité de la théorie pour trouver la suivante encore plus puissante.

D'après toi, qui au final dit des choses pertinentes et qui se trompe ? Les physiciens ou toi ?

[mach3]

Par ailleurs si on découpe l'univers (même courbe) en un somme de petites portions de l'univers et dans dans chaque petite portion l'énergie est conservée alors je suis tenté de dire que l'énergie de la somme des parties est aussi conservée.
Après si une théorie mathématique me prouve le contraire je serais tenté de penser que cette théorie raisonne sur un univers virtuel qui n'est pas le nôtre (on peut construite beaucoup d'édifices mathématiques (univers mathématiques), tous justes par rapport à leurs postulats, sans qu'aucun ne corresponde à notre univers).

Ce raisonnement fonctionne pour la densité de charge de électrique, qui intégrée sur un volume donne la charge électrique : quelque soit la géométrie, la charge est bien conservée : la variation de charge électrique du volume correspond à la différence entre les charges entrantes et sortantes.

C'est différent pour l'énergie. La densité d'énergie est la composante temporelle-temporelle du tenseur énergie-impulsion (les autres composantes sont des flux de quantité de mouvement -on trouve parmi eux la pression- et des densités de quantité de mouvement ces derniers étant également des flux d'énergie). Le fait que ce soit la composante d'un tenseur et non d'un vecteur change tout, mais ce n'est pas facile à vulgariser, il me faudrait du temps pour réfléchir à comment l'expliquer. J'en manque.

m@ch3

[curiossss]

J'ai fouillé internet et trouvé cette vidéo intéressante de Sabine Hossenfelder :
une analyse plus complète des données collectées sur une base plus large de supernovas de type 1a remet en question l'accélération de l'expansion de l'univers et donc de l'énergie noire.


http://backreaction.blogspot.com/201...after-all.html

Cette vidéo date de novembre dernier, depuis peut-être que la question a été tranchée. Vous avez des nouvelles sur le sujet ?

Merci

[Deedee81]

Salut,

Cette vidéo date de novembre dernier, depuis peut-être que la question a été tranchée. Vous avez des nouvelles sur le sujet ?

Non mais ça m'intéresse aussi. On en sait encore si peu là dessus qu'une surprise est toujours possible.