L'univers en mouvement

[jojo17]

Doublon, désolé
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[jojo17]

Merci Amanuensis, grâce à toi j'ai fait quelques recherches et je comprends mieux maintenant ton incompréhension.
Une autre question serait de savoir ce qui distingue l'inflaton de ce qui accélère l'expansion aujourd'hui ?

[Gilgamesh]

Comment l'inflaton "intervient-il" là-dedans"?
Comment apporte-t-il un "très haut niveau d'énergie au vide"?
Je suppose qu'il agit comme "booster", mais comment accroit-il la vitesse de l'expansion?

Difficile de donner un statut précis à l'inflaton. La nature du champ n'est pas connue et fondamentalement un des obstacles théoriques à sa compréhension est l'incapacité des théories quantiques des champs à prédire correctement l'énergie du vide, en fonction du contenu des particules d'une théorie choisie.

On peut éventuellement s'en passer, (Atkins, 2012) a suggéré qu'il est possible qu'aucun nouveau champ ne soit nécessaire et qu'une version modifiée du champs de Higgs pourrait agir comme un inflaton.

L'inflaton n'a rien de particulier concernant son effet sur la gravitation : tout champ de potentiel élevé à son état d'énergie minimal engendre un gravité répulsive qui joue le rôle de constante cosmologique. Historiquement la réflexion s'est faite dans l'autre sens : on a postulé une cte cosmo et (Lemaitre, 1934) sur la base d'argument thermodynamique a interprété la constante cosmologique comme une énergie du vide.

Je pense que tu connais le pb de la constante cosmo. Quand on calcule la densité que devrait représenter l'ensemble des champs du modèle standard dans le vide, c-à-d en l'absence de particule (le champ électromagnétique, les champs de jauge et les champs fermioniques, et le champ de Higgs) on se retrouve devant une "catastrophe ultraviolette" (ça diverge à l'infini) et même en coupant à l'échelle de Planck on trouve 10¹²⁰ fois la valeur mesurée (l'énergie sombre de la cosmologie). En un sens c'est très gênant mais pour ma part je trouve ça plutôt encourageant : c'est précisément ce niveau d'énergie du vide dont on a besoin pour l'inflation. D'un point de vue heuristique, je trouve que ça milite pour donner beaucoup de plausibilité à ce scénario pour le moins échevelé mais qui résout d'un coup les pathologies les plus béantes du modèle standard de la cosmologie.

[jojo17]

Bonjour,
Vraiment merci c'est très clair !
Serait-il possible que le même champ soit à l'œuvre dans l'inflation et l'accélération de l'expansion ? Avec peut-être une question de seuil de densité d'énergie, ou changement de phase, ou les deux ?
L'accélération de l'expansion comme"vestige" de l'inflation?

[Amanuensis]

ton incompréhension.

Quelle incompréhension ?

[jojo17]

À ma question, incompréhensible, au sujet de l'intéraction de l'inflaton avec le champ gravitationnel

[Gilgamesh]

Bonjour,
Vraiment merci c'est très clair !
Serait-il possible que le même champ soit à l'œuvre dans l'inflation et l'accélération de l'expansion ? Avec peut-être une question de seuil de densité d'énergie, ou changement de phase, ou les deux ?
L'accélération de l'expansion comme"vestige" de l'inflation?

Oui, c'est évidemment assez tentant. Dans le même genre d'hypothèse y'a l'idée de relier l'inflaton avec un champ de quintessence (une cte cosmo identifiée à un champ variable dans le temps).

Genre là :
Inflation and Quintessence: Theoretical Approach of Cosmological Reconstruction

[jojo17]

Je voudrais revenir sur un point qui nous a occupé plus avant.
Comment expliquer l'anisotropie du CMB si le vide est homogène et isotrope ?
L'inflation, et donc l'inflaton sont-ils en cause?

[jojo17]

J'ai un peu regarder et ça viendrait des fluctuation quantiques de l'inflaton, amplifier par l'effet de la croissance très rapide de l'univers.
Peut-on en savoir un peu plus ?

[jojo17]

Je pense que tu connais le pb de la constante cosmo. Quand on calcule la densité que devrait représenter l'ensemble des champs du modèle standard dans le vide, c-à-d en l'absence de particule (le champ électromagnétique, les champs de jauge et les champs fermioniques, et le champ de Higgs) on se retrouve devant une "catastrophe ultraviolette" (ça diverge à l'infini) et même en coupant à l'échelle de Planck on trouve 10¹²⁰ fois la valeur mesurée (l'énergie sombre de la cosmologie). En un sens c'est très gênant mais pour ma part je trouve ça plutôt encourageant : c'est précisément ce niveau d'énergie du vide dont on a besoin pour l'inflation.

Si je comprend bien(?), Les valeurs des paramètres de l'inflaton ne sont pas 'ad hoc'?

[Gilgamesh]

J'ai un peu regarder et ça viendrait des fluctuation quantiques de l'inflaton, amplifier par l'effet de la croissance très rapide de l'univers.
Peut-on en savoir un peu plus ?

Ce que tu as pu voir concernant les fluctuation quantique ça doit ressembler à l'image jointe.

Fait l'exercice de projection mentale : là où c'est rouge l'univers est en inflation et en retournant au noir, l'inflation s'éteint. Comme il est en inflation à son niveau maximal, tu vois que ce qui était destiné à retomber tout de suite est "gelé" à un niveau élevé du fait que ça remplit en un clin d'oeil un espace immense. Et la fluctuation reprend, à l'échelles microscopique dans cet espace nouvellement crée. Ca va former des fluctuations emboitées en poupées russes et l'ensemble est dit "invariant d'échelle". C'est en gros comme ça qu'on se représente le multivers.

[jojo17]

Merci pour ta réponse, mais tu m'as largué, je n'ai pas assez de faculté d'abstraction.
Mais j'ai du me tromper dans ma question, en parlant de l'anisotropie du CMB.
Ce que j'avais vu et compris c'est que la densité d'énergie de l'inflaton devait présenter des petites fluctuations spatiales d'origine quantique, qui auraient été transférées à la matière et à l'origine des grandes structures, ( galaxies, amas de galaxies...)

[jojo17]

Après quelques efforts, je tente une analogie, toute proportion gardée.
Comme un pâton qui sous l'effet de la chaleur (inflaton) vois les bulles d'air contenu à l'intérieur (fluctuations) se dilater et former les alvéoles (univers) de la mie (Multivers)

[Gilgamesh]

Merci pour ta réponse, mais tu m'as largué, je n'ai pas assez de faculté d'abstraction.
Mais j'ai du me tromper dans ma question, en parlant de l'anisotropie du CMB.
Ce que j'avais vu et compris c'est que la densité d'énergie de l'inflaton devait présenter des petites fluctuations spatiales d'origine quantique, qui auraient été transférées à la matière et à l'origine des grandes structures, ( galaxies, amas de galaxies...)

La structure des anisotropies du CMB, et la formations des grandes structures qui en découle, est bien une conséquence de ces fluctuations quantiques invariantes d'échelles.

Après quelques efforts, je tente une analogie, toute proportion gardée.
Comme un pâton qui sous l'effet de la chaleur (inflaton) vois les bulles d'air contenu à l'intérieur (fluctuations) se dilater et former les alvéoles (univers) de la mie (Multivers)

Mmmh... L'image est améliorable

Dans l'idée c'est la mie (vide de haute énergie) qui est en inflation, tandis que les bulles c'est là où l'inflation cesse pour donner un univers (vide de basse énergie).

[jojo17]

Merci pour l'amélioration de la recette
Quelques questions pour mieux comprendre...
Y a-t-il autant d'univers que de fluctuations ?
L' inflation cesse-t-elle pour le multivers ?
Le multivers ne possède-t-il pas un espace et un temps infini ?
Le CMB est-il exclusif à notre univers, ou y en a t-il un pour chaque univers ?

[jojo17]

Je pense avoir trouvé la source Principale de ma difficulté, c'est que je cherche à comprendre en concevant un multivers de niveau 1 dans la classification de Tegmark.

[Gilgamesh]

Merci pour l'amélioration de la recette
Quelques questions pour mieux comprendre...
Y a-t-il autant d'univers que de fluctuations ?
L' inflation cesse-t-elle pour le multivers ?
Le multivers ne possède-t-il pas un espace et un temps infini ?
Le CMB est-il exclusif à notre univers, ou y en a t-il un pour chaque univers ?

Dans l'idée, oui, chaque fluctuation constitue un univers. Et de la sorte tu comprend que la distinction entre "univers" et "multivers" est trop binaire. Fondamentalement il faut considérer un paysage cosmique de vide de plus ou moins grande énergie, et chaque volume homogène, c'est à dire dont tout l'espace est remplit d'un vide homogène peut être considéré comme un univers.

Mais bon le voir de façon binaire (haut et bas) permet de réaliser certaines approches assez passionnantes sur la topologie du multivers à travers la théorie des percolations.

Cet article est assez avancé : On the Topological Phases of Eternal Inflation

Mais l'idée générale est assez simple. On considère un système à 2 état : un état vivant (blanc, de haute énergie) et un état mort (noir, de basse énergie). Bien entendu l'état vivant est l'état inflationnaire (H très élevé) et l'état mort est l'état d'expansion ralentie, quasiment statique à l'échelle de l'inflation. Pour simuler le processus en deux dimensions (page 12), on prend un carré qu'on divise en 4 et on tire au hasard une probabilité pour une case de s'éteindre (de passer de vivant à mort). Et à l'étape suivant on répète le processus. Et ainsi de suite indéfiniment. Les cases blanche à chaque itérations connaissaient une croissance sans pareil, tandis que les cases noires gardent leur taille première ou quasi.

En fonction de cet unique paramètre (probabilité de changement d'état de haut vers le bas) et en raisonnant en trois dimensions on obtient différente topologie du multivers.

L'inflation c'est ce qui permet au multivers (les cases blanches) de grandir fantastiquement à chaque étape, de sorte que même si les changement d'état qui "éteignent le vide" sont innombrables, l'ensemble continue de croitre a un taux qui dépasse l'imagination.

Il faut comprendre ça comme une création d'espace : le multivers ne s'étend pas dans l'espace infini, il étend indéfiniment l'espace.

Par contre, il y a un théorème qui borne ce processus dans le passé : a priori le multivers n'existe pas depuis un temps infini, il a un commencement.

L'existence d'un fond de rayonnement fossile est tributaire de l'existence de la matière et de ses caractéristiques intimes, qui sont lié au changement de phase du vide. On peut prédire que beaucoup d'univers connaissent ce type de phénomène (changement de phase du milieu matériel lié à la baisse de température) sans que ce soit universel.

[jojo17]

Merci, je comprends un peu mieux, mais je bloque toujours sur un truc...
Qu'en est-il maintenant ? Je sais pas si tu comprends bien ma question, ou même si elle est compréhensible, j'essaie d'expliquer.
L'inflation est une phase qui s'est déroulée dans les premiers instants (par rapport au temps cosmologique), le multivers croît-il encore maintenant ?

[Gilgamesh]

Merci, je comprends un peu mieux, mais je bloque toujours sur un truc...
Qu'en est-il maintenant ? Je sais pas si tu comprends bien ma question, ou même si elle est compréhensible, j'essaie d'expliquer.
L'inflation est une phase qui s'est déroulée dans les premiers instants (par rapport au temps cosmologique), le multivers croît-il encore maintenant ?

L'idée c'est que une fois enclenché, le phénomène ne peut pas cesser. Donc a priori il a un début, mais pas de fin. Ce qui peut faire songer à l'inscription du fronton de l'Enfer dans la Divine Comédie de Dante.

"Rien ne fut créé avant moi que d'éternel. Et je dure, éternel. Vous qui entrez, laissez toute espérance"

On part d'un vide de densité d'énergie élevée, et de ce fait en inflation. Ce vide possède un état d'énergie plus bas, et il va décroître spontanément dans ce nouvel état, à la manière d'un atome ou d'un noyau qui se désexcite pour rejoindre son état fondamental.

On modélise ça par un champs ϕ (une constante cosmologique survitaminée) qui descend une colline de potentiel. Prenons un intervalle de temps, pris durant la descente, d'une durée Δt = 1/H = H⁻¹ (un temps de Hubble). On rappelle que H est le taux d'expansion.

Dans ce régime inflationnaire (cad drivé par une constante cosmo), la croissance d'une région de taille a est :

a(t) = exp(Ht)

Considérons ce qui se passe dans une région de la taille d'un rayon de Hubble c/H. Supposons que ϕ₀ soit la valeur moyenne de ϕ dans cette région, au début de l'intervalle de temps. Par définition de ce qu'est un temps de Hubble, on sait par que cette région va grandir durant cette durée exactement un facteur e (le nb de Neper). Cela implique que son volume se développera lui d'un facteur e³ ~ 20. Puisque les corrélations s'étendent typiquement sur environ une longueur de Hubble, à la fin d'un temps de Hubble, un région d'une taille initiale un rayon de Hubble va se développer et se subdiviser en 20 régions indépendantes d'un rayon de Hubble. Quelle est la valeur du champs dans ces 20 régions ? On va dire que le champs varie d'une quantité ∆ϕ qui est la somme de deux termes : celui que donne le taux moyen de descente, qu'on va qualifier de "classique" ∆ϕc, le même dans les 20 régions et une fluctuation quantique, qui peut aller à la hausse ou à la baisse d'une valeur ∆ϕq et qui varie dans chacune des 20 régions. Les valeurs de ∆ϕq se distribuent selon une classique loi de Gauss, avec une largeur de l'ordre H/2π. Avec cette largeur de distribution, il y a alors une certaine probabilité que la somme ∆ϕc+∆ϕq soit positive c'est à dire que dans une région, le champ fluctue vers le haut et non vers le bas. Si cette probabilité est supérieure à 1/20e, alors le nombre de régions en expansion avec ϕ ≥ ϕ₀ sera plus grand à la fin de l'intervalle de temps Δt qu'il ne l'était au début. Dans ce cas, le processus se répétera a chaque pas de temps, de sorte que l'inflation ne finira jamais.

Dans une distribution gaussienne, il faut que l'écart-type de ∆ϕq soit supérieur à 0.61 |∆ϕc|. On modélise la valeur de ∆ϕc par le produit de sa dérivé dϕc/dt par le temps de Hubble Δt = H⁻¹. Ce qui nous donne :

∆ϕq ~ H/2π > 0.61 | (dϕc/dt)H⁻¹|

soit :

H²/(dϕc/dt) > 3.8

Bon, et euh... faut continuer ici page 9

Eternal inflation and its implications

mais l'idée est que cette probabilité augmente avec ϕ, ce qu'il fait que ça finit forcément par arriver, et alors on entre dans un régime d'inflation éternelle

Conclusion :

Alan Guth (théoricien au MIT): "It's hard to build models of inflation that don't lead to a multiverse. It's not impossible, so I think there's still certainly research that needs to be done. But most models of inflation do lead to a multiverse, and evidence for inflation will be pushing us in the direction of taking [the idea of a] multiverse seriously."

Andrei Linde (théoricien au Stanford University): "In most of the models of inflation, if inflation is there, then the multiverse is there. It's possible to invent models of inflation that do not allow [a] multiverse, but it's difficult. Every experiment that brings better credence to inflationary theory brings us much closer to hints that the multiverse is real."

[jojo17]

Merci pour cette réponse. Je t'avouerai que je ne t'ai suivi que dans les grandes lignes (étant non initié) mais je t'ai suivi, et j'ai compris ce que je cherchais à comprendre.
Une autre question m'est venue...
Les champs de matières sont-ils "uniformes", ou existe-il dans le multivers des univers qui restent vide?

[Gilgamesh]

Merci pour cette réponse. Je t'avouerai que je ne t'ai suivi que dans les grandes lignes (étant non initié) mais je t'ai suivi, et j'ai compris ce que je cherchais à comprendre.
Une autre question m'est venue...
Les champs de matières sont-ils "uniformes", ou existe-il dans le multivers des univers qui restent vide?

La théorie du multivers inflationnaire usuellement s'adosse à la théorie des cordes, dont la forme la plus développée (la M-theory) propose en plus des 3 grandes dimension d'espace, des dimensions enroulées (7 a priori) dont la combinaison donne naissance à une grande multiplicité de topologies. Chaque topologie correspondant à une physique particulière.

Si on considère les piliers de la physique moderne :

La mécanique quantique: ne peut être modifié en aucune manière, pour ce que nous en comprenons.

La Relativité générale: on peut jouer sur quelques manettes comme la dimensionnalité de l'espace-temps, la topologie, la valeur de la constante cosmologique (énergie du vide) et la courbure.

Le Modèle standard des particules élémentaires : de très nombreuses options existent comme les groupes de jauge (aujourd'hui on a SU(3)xSU(2)xU(1) mais presque tout semble imaginable), les représentations de particules (charges) et tous les paramètres continus (masse des particules, constantes de couplage, angle de mélange...)

Et c'est ce Modèle standard qui détermine la "matière". On peut concevoir toute sorte d'univers qui ne comprendraient rien de plus tangible que des particules évanescentes ne formant aucune structure. Par exemple, trois familles de quarks + leptons sont nécessaires pour avoir une violation de symétrie CP dans la matrice CKM, et cette violation est nécessaire pour la baryogénèse, c-à-d concrètement pour assurer l'infime déséquilibre (10^-10) en faveur de la matière sur l'antimatière, sans quoi l'univers serait remplit d'une gaz ultra-raréfié sans aucune structure visible.

Donc je dirais : "vide" au sens d'absence de particules c'est probablement rare, mais vide au sens de ne rien contenir qui rappelle ne serait ce qu'une poussière dans notre univers, c'est probablement courant.

A la question que se posait Einstein "Ce qui m'intéresse vraiment, c'est de savoir si Dieu aurait pu fait le monde d'une manière différente; c'est-à-dire si la nécessité de la simplicité logique laisse la moindre liberté", la physique moderne répond par l'affirmative.

Dans cet article de 1986, Chiral, Four-dimensional Heterotic Strings From Self-Dual Lattices les auteurs (Lerche, Lüst, Schellekens) déterminent pas moins de 10¹⁵⁰⁰ structures (et donc physiques) possibles dans le cadre de la théorie des cordes. Tout ceci reste bien sûr largement spéculatif, mais disons que le mood actuel n'est pas à l'unicité des solutions possibles. De nombreuses physiques semblent possibles, ce qui rend la multiplicité du multivers encore plus ébouriffante.

[jojo17]

Je te remercie pour cet échange qui m'a permis de mieux comprendre ce dont il était question, grâce à ton sens aigüe de la pédagogie.
Et dire que c'est quand même plus intéressant que les sudokus pour faire travailler ses méninges.
Encore merci !
Bonne soirée

P.S : je reviendrai peut être avec d'autres questions...

[jojo17]

Merci aussi à tous les participants à ce fil pour leur contributions...

[jojo17]

Bonjour,
Je peux pas m'empêcher...
Comme les fluctuations quantiques sont invariantes d'échelle, la "distribution" des univers dans le multivers est-elle semblable à la "distribution" de la matière dans notre univers ?

[jojo17]

A moins que je n'ai pas compris l'invariance d'échelle...

[Gilgamesh]

Bonjour,
Je peux pas m'empêcher...
Comme les fluctuations quantiques sont invariantes d'échelle, la "distribution" des univers dans le multivers est-elle semblable à la "distribution" de la matière dans notre univers ?

C'est justement l'objet de l'article On the Topological Phases of Eternal Inflation du message #107 sur la base des percolation de Mandelbrot.
Ce pdf est plus synthétique :https://www.ipmu.jp/sites/default/fi...nce/sekino.pdf

Y'a 3 phases envisageable en fonction de la valeur du paramètre P

Black Island Phase : les bulles d'univers (noires) sont séparée par une phase continue de vide inflationnaire (régions blanches)
Tubular Phase : les régions noires et blanches forment des phase continues entrelacées (des tubes)
White Island Phase : les régions blanches (en inflation) forment des bulles isolées dans une phase continue "éteinte"

[jojo17]

Merci, et excuses moi, c'est qu'entre autres lacunes, je ne lis pas l'anglais.

[jojo17]

Bonjour,
Je suppose que ce paramètre P est une caractéristique des fluctuations quantiques ?
Ces 3 phases sont elles successives ou sont elles 3 "configurations" possible ?

[jojo17]

Une autre question,
Comme l'inflation est un processus sans fin, il y a forcément des univers plus jeune que le nôtre, mais y en a t-il de plus ancien ?
Je t'avoue que j'ai un peu de mal à me figurer la situation..

[Gilgamesh]

Bonjour,
Je suppose que ce paramètre P est une caractéristique des fluctuations quantiques ?
Ces 3 phases sont elles successives ou sont elles 3 "configurations" possible ?

P est une probabilité de transition qui caractérise le système et qui donne une configuration possible. Mais après tout rien n'interdit de le faire varier dans le temps et dans l'espace, de sorte qu'on peut envisager différentes phases emboitées.

Ci-dessous on représente l'évolution de la percolation en 2D pour un p croissant.

Une autre question,
Comme l'inflation est un processus sans fin, il y a forcément des univers plus jeune que le nôtre, mais y en a t-il de plus ancien ?
Je t'avoue que j'ai un peu de mal à me figurer la situation..

Ah, c'est un des trucs un peu dingue du multivers. A l'échelle d'énergie qui nous semble pertinente (pour résoudre nos problèmes cosmologiques : platitude, homogénéité...), le taux d'expansion est de l'ordre de H ~ 10³⁷ s^-1.



avec a(t) le facteur d'échelle et t le temps.

Ca veut dire qu'entre une seconde et la suivante le multivers a grandi d'un facteur e^{10^37} ce qui est un nombre qui dépasse l'imagination. Le jeune multivers est donc incomparablement plus immense que l'ancien, ce qui donne naissance à un paradoxe dit du jeune univers ou paradoxe de Guth-Vanchurin.

Je traduit de là : Le paradoxe de la jeunesse

Alan Guth, le physicien théoricien du MIT qui a été le premier à développer la théorie de l'inflation cosmique, a élaboré sa propre solution au paradoxe de Fermi, qui pourrait être plus difficile à croire que l'argument de l'univers simulé.

Dans un article intitulé "Eternal Inflation and its Implications", Guth a utilisé la physique de l'inflation pour montrer élégamment que chaque univers (soit dit en passant, nous supposons l'existence d'un nombre infini d'univers) ne compte probablement qu'une seule civilisation avancée.

L'argument est le suivant : selon Guth, l'inflation cosmique engendre un nombre infini d'univers de poche à un rythme extraordinaire. En fait, chaque seconde, le nombre de "poche d'univers" (pocket universes) augmente d'un facteur de 10³⁷ [Note de moi : non, e^{10^37} !] . Par conséquent, selon Guth, nous pouvons supposer que les jeunes univers sont beaucoup plus nombreux que les anciens. En d'autres termes, l'univers moyen est remarquablement jeune.

Guth postule ensuite qu'il existe un temps minimum - appelons-le T - nécessaire au développement d'une vie intelligente comme la nôtre. Comme nous nous sommes déjà développés, nous savons que l'âge de notre univers est supérieur ou égal à T.

Imaginons qu'il existe dans notre univers une autre civilisation plus avancée que la nôtre et, pour les besoins de l'argumentation, supposons qu'elle soit plus avancée d'une seconde. Si le temps minimum pour que notre civilisation se développe est T, le temps minimum pour que cette civilisation plus avancée se développe est supérieur ou égal à T + 1s.

Comme le nombre d'univers qui satisfont à la condition T est 10³⁷ [NdM : e^{10^37} !] fois supérieur au nombre d'univers qui satisfont à la condition T + 1s, et comme nous savons seulement que nous vivons dans un univers qui satisfait à la condition T, il est extrêmement improbable que notre univers satisfasse également à la condition T+1s. Il est donc peu probable qu'il existe une civilisation extraterrestre dans notre propre univers, même une seconde plus avancée que la nôtre.