Particules répulsives émergeant du vide quantique

[Milkman21]

Bonjour,

est il possible que des particules répulsives puissent émerger aléatoirement du vide quantique
sans arrêt et en tout point de l univers ? Ça pourrait expliquer l expansion de l univers lorsque ces particules ne rencontrent pas de particules baryoniques. Et lorsque elles en rencontrent elles viennent "répulser" les forces baryoniques entres elles et donc augmentent la gravité plus il y a de particules baryoniques.
Je crois que j ai entendu parler de ça mais pas sûr. Finalement ces particules seraient à notre portée car partout autours ou dans nous.. Je pose mon herbe et mon verre de vin un temps et attends vos mépris quant à ma question 

Bonne journée 
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[Gilgamesh]

Bonjour,

est il possible que des particules répulsives puissent émerger aléatoirement du vide quantique
sans arrêt et en tout point de l univers ? Ça pourrait expliquer l expansion de l univers lorsque ces particules ne rencontrent pas de particules baryoniques. Et lorsque elles en rencontrent elles viennent "répulser" les forces baryoniques entres elles et donc augmentent la gravité plus il y a de particules baryoniques.
Je crois que j ai entendu parler de ça mais pas sûr. Finalement ces particules seraient à notre portée car partout autours ou dans nous.. Je pose mon herbe et mon verre de vin un temps et attends vos mépris quant à ma question

Ce passage en gras est clairement évitable et ne place pas la discussion sous les meilleurs auspices.

Ceci dit...

La notion de « particule répulsive » ou de « force baryonique » n’est pas standard en physique. Une particule (baryon, lepton, boson de jauge, etc.) peut porter une charge qui, selon l’interaction concernée (forte, faible, électromagnétique ou gravitationnelle), peut être attractive ou répulsive. Concernant les baryons en particulier (comme les protons et neutrons), ils se caractérisent par le fait qu'ils sont sensibles à l’interaction forte, dont les trois types de charges ont été baptisées « couleur » (R: rouge G: vert B: bleu). De ce fait, ils forment obligatoirement des états « blancs » (neutres en couleur) : soit 3 quarks de couleurs complémentaires (RGB), ce qui donne les baryons, soit une paire quark-antiquark (une couleur et son anti-couleur), ce qui donne des mésons. Ils n’interagissent donc pas via la force forte à longue distance (ni attraction ni répulsion).

Pour expliquer l’expansion de l’univers, il faut considérer la gravité dans le cadre de la relativité générale. Contrairement à la gravité newtonienne (toujours attractive), la relativité générale permet une forme de gravité répulsive via la pression : en relativité générale, la pression contribue à la gravité. Pour un fluide cosmologique, la relation entre densité d’énergie (ρ) et pression (P) est donnée par l’équation d’état :

P = wρ,

où w est un paramètre caractéristique de chaque composante énergétique.

En cosmologie, on distingue quatre composantes distinctes, chacune avec son équation d’état spécifique :

1. La matière (composante dite non-relativiste) qu'on appelle souvent poussière en cosmo : w=0 (pression négligeable).

2. Le rayonnement (composante dite relativiste), photons, neutrinos : w = 1/3 (pression de radiation).

3. La courbure : nulle dans un univers plat (ce qui est le cas de notre univers en première approximation).

4. La constante cosmologique (aka énergie sombre) notée Λ : w = −1 => P = −ρ. C'est cette pression négative qui engendre une gravité répulsive, qu'on peut mettre à la source de l’expansion.

La nature profonde de cette constante cosmolgique fait encore l'objet de spéculation, mais l'interprétation la plus usuelle est de l'identifier à un vide quantique de densité d'énergie non nulle (et positive).

Parce que le vide quantique n’est pas « vide » au sens classique du terme. Il est rempli de fluctuations de champs qui produisent des paires de particules virtuelles. L’énergie du vide est calculée comme la somme des énergies de point zéro de tous les champs quantiques. Ce calcul prédit une densité d’énergie 10¹²⁰ fois supérieure à celle observée, ce qui pose le problème de la constante cosmologique (l’un des grands défis de la physique moderne). Mais en tout cas, l'idée que le vide n'a pas une énergie nulle (comme en physique newtonienne) est naturellement cablé dans la théorie quantique des champs.

Quelles sont les conséquences de cette densité d'énergie non nulle sur la pression ?

En thermodynamique, pour un système adiabatique (comme l’univers), la conservation de l’énergie s’écrit :

dU = −PdV

Si le fluide dont on augmente le volume d'une quantité dV est le vide cela implique que l’énergie interne U augmente avec l’expansion

dU = ρdV.

L'identification des deux équations nous donne le P = −ρ.

En relativité générale, la gravité d’un fluide est donnée par ρ + 3P. Pour le vide (P=−ρ), cela donne :

ρ − 3ρ = −2ρ

soit une gravité répulsive.

L’expansion exponentielle de l’univers :

a(t) ∼ e^Ht

en découle naturellement, avec
a(t) la croissance du facteur d'échelle ("taille de l'univers") avec le temps.
H = √ (Λ/3) le taux d'expansion.

Bilan des courses : l’expansion de l’univers est expliquée par la constante cosmologique (énergie du vide), dont la pression négative agit comme une force répulsive. Les particules virtuelles du vide ne peuvent pas interagir directement avec la matière baryonique, mais leur effet collectif (via l’énergie du vide) influence la dynamique cosmique.

[oualos]

Merci pour ce cours très intéressant

[Milkman21]

Ok merci beaucoup ! Je comprends mieux. Les particules virtuelles du vide ne peuvent donc pas se trouver à notre portée, ici, à l instant t.. c est dommage qu elles n interagissent pas avec la matière, ça aurait pu expliquer beaucoup de chose.
Bonne soirée !
Double M

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Ok merci beaucoup ! Je comprends mieux. Les particules virtuelles du vide ne peuvent donc pas se trouver à notre portée, ici, à l instant t.. c est dommage qu elles n interagissent pas avec la matière, ça aurait pu expliquer beaucoup de chose.
Bonne soirée !
Double M

Elles n’interagissent pas directement. Ou alors, si elles interagissent, elles se transforment en particules réelles. C'est ce qui se passe dans un collisionneur de particules, comme le LHC : au point de collision, l'énergie cinétique des particules du jet est transférée à tout un tas de particules virtuelles qui acquièrent alors l'énergie qui leur manque pour devenir réelles.

[Milkman21]

Merci Gilgamesh et désolé pour la phrase en gras.. c est juste que je trouvais ma question un peu perchée. Je m imaginais des particules "virtuelles" qui émergeaient du vide quantique et qui "créaient" un espace (comme un cube primaire de la taille minimale possible) à chaque fois qu elles émergent. Expliquant un peu l expansion. Ils se passeraient un truc lorsque il y a de la matière baryoniques, les empêchant de prendre de la place ou d émerger ou peut être même de faire quelque chose en rapport avec la gravitation.. Bref je m arrête là ! Ça fait du bien de rêver ! Bonne journée ������

[ThM55]

Une petite remarque, sans lien avec la cosmologie. Le vide quantique n'est pas un "vide classique", il y a effectivement des fluctuations que l'on représente au premier ordre comme l'apparition et la disparition de particules virtuelles, qu'on ne peut pas observer directement. Mais elles ont un effet observable, via leur interaction avec des particules observables! Je prends l'exemple le plus simple, celui de l'électrodynamique quantique, en limitant le modèle au cas de la triade photon, électron, positron: le photon est le quantum du champ électromagnétique et l'électron celui du champ de Dirac (ainsi que le positron). Ils sont en interaction et on doit tenir compte des fluctuations qui vont jusqu'à faire apparaître des paires électron-positron virtuelles. Dans les calculs cela a bien un effet très ténu qu'on observe comme la séparation de niveaux hyperfins dans l'atome d'hydrogène qui sans cela sont confondus (décalage Lamb).

Concernant la répulsion, dans le cas de ce modèle simplifié, c'est plutôt le contraire, c'est une attraction. En effet, l'interaction entre ces champs qui crée ces fluctuations respecte strictement la conservation de la charge électrique. Comme le vide a une charge électrique nulle, toute apparition d'une particule virtuelle de charge électrique donnée doit être accompagnée d'une antiparticule virtuelle de charge opposée pour conserver la neutralité. Mais deux charges opposées s'attirent.

[oualos]

Il y a une célèbre formule d'Etienne Klein pour parler du vide quantique: l'univers vit à crédit.
L'écume quantique est générée par un emprunt d'énergie à l'univers qui fait émerger pendant un très bref instant une paire de particules, lesquelles s'annihilent en restituant cette énergie.

De quoi le vide est-il plein
Il y a dans sa conférence une dissertation sur l'historique de la notion de vide en comparant le néant, le rien et le vide et en s'inspirant de Pascal qui le premier en a parlé et a eu l'intuition que le vide n'était pas vide

[ThM55]

Il ne faut pas prendre tout cela au sens littéral. Je ne sais pas si Etienne Klein le fait, mais il faut prendre cela comme une image approximative et très imparfaite de quelque chose de beaucoup plus profond. Ce qu'on voit dans la théorie, c'est des boucles apparaissant dans les diagrammes de Feynman, qui font penser par leur côté imagé à l'apparition et disparition de paires, mais ces diagrammes ne sont que des termes dans une série infinie. Des termes qui sont d'ailleurs formellement infinis si on adopte la formulation habituelle, qui est déficiente, de ces calculs (infinis éliminés par absorption dans des constantes, la renormalisation; la formulation mathématiquement correcte existe (*), mais elle n'est pratiquement jamais enseignée car jugée trop difficile), et une série qui est par ailleurs divergente (pour ceci on n'a pas la solution). La réalité n'est PAS une série, ces images ne sont qu'une mauvaise approximation due à notre totale incapacité à faire les bons calculs sans passer par une approximation par une perturbation et un développement en série sauf dans des cas très particulier et non réalisés en physique. Il est très possible que toute la théorie quantique des champs sur laquelle le modèle standard est construit n'existe en réalité pas du point de vue mathématique, c'est-à-dire qu'elle soit inconsistante ou utilise des objets mathématiquement inexistants. La théorie mathématiquement correcte non perturbative est encore un sujet ouvert mais la plupart des physiciens ne s'en préoccupent pas.

Cela dit, il est évident que le "vide" n'est pas un néant, il est dynamique et a des effets observable, qu'on attribue de manière imagée par exemple à la polarisation des paires fermion-antifermion virtuelles par un champ extérieur.

(*) référence: https://www.numdam.org/item/AIHPA_1973__19_3_211_0.pdf

[oualos]

Vous mettez en parallèle voir en opposition deux explications ou plutôt 2 modes d'explication différents: une approche physique celle d'Etienne Klein qu'on pourrait qualifier même de thermodynamique et l'autre mathématique -ou mathématico-physique- celle des diagrammes de Feynman. Je ne suis pas assez calé pour m'avancer sur ce sujet mais vous émettez dans cette dernière un doute concernant la validité l'approche mathématique pour décrire un processus fort mystérieux.
Le problème se retrouverait dans la convergence éventuelle de séries divergentes en faisant intervenir (ou non ?) la renormalisation qui semble être un artifice de calcul pour simplifier des calculs mais qui ne semble pas valide à 100% mathématiquement.
Mais ce processus marche et permet de retomber sur des calculs cohérents avec l'expérience donc il marche empiriquement. Même si les mathématiques ne sont pas (du tout!) empiriques.
L'approche physique de Klein ne l'est pas moins car quel serait ce processus mystérieux par lequel des particules virtuelles peuvent emprunter de l'énergie à l'univers en devant le restituer ensuite ?
Evidemment Klein ne donne pas la réponse sinon ça se saurait: mais peut-être cela a possiblement à voir avec la force auto-organisatrice -ou néguentropie- qu'on n'a jamais réussi à isoler ni à mettre en évidence empiriquement. Ou à une force que l'on ne connaît pas encore...

[ThM55]

Il n'y a rien de mystérieux au sens premier du terme, seulement quelque chose de très compliqué à traiter. La théorie est en fait fortement contrainte par des principes de symétrie, d'invariance et par la physique quantique, donc on a de bonnes raisons de penser que les équations sont correctes. Malheureusement ces équations sont trop compliquées à résoudre. Personne ne sait le faire. Donc on fait des approximations, on traite les interactions comme des "petites" perturbations par rapport aux champs libres dont les équations sont "triviales" (ou presque). Et en effet ça marche. Et même très bien: la correction au moment magnétique de l'électron est prédite avec 10 chiffres après la virgule (valeurs prédites et expérimentales d'après Wikipedia: https://fr.wikipedia.org/wiki/Moment...A9tique_anomal ) . Ça marche déjà moins bien avec le muon; mais on a quand même 5 écarts types de coincidence, ce qui est jugé problématique par les théoriciens. Et ça ne marche plus du tout ou de manière très partielle pour les hadrons, composés de quarks.

En fait quand on étudie des modèles "jouets" résolubles exactement, ou possédant une dualité permettant d'en tirer des informations, on se rend compte que la théorie de champs quantique peut décrire, à cause des interactions, des situations totalement différentes des théories libres dont on est parti pour les construire. C'est en ce sens que je faisais allusion à quelque chose de plus profond que l'interprétation en terme de fluctuations du vide. Et à mon avis ce que Etienne Klein raconte, ce n'est pas une approche plus "physique" par opposition au traitement mathématique, c'est juste l'interprétation intuitive de ces boucles internes dans les diagrammes de Feynman, qui sont effectivement cohérentes avec l'idée de la relation d'incertitude temps-énergie...

OK mais mon intervention était un peu hors sujet, c'était juste pour dire que dans la plupart des cas connus, ces paires virtuelles ne sont pas répulsives. Il ne faudrait pas trop faire dévier le fil. Toutefois, il n'est pas exclu qu'une extension théorique future conduise à prédire des paires répulsives, mais je n'en sais rien, je ne connais rien de tel. Et le première réponse était suffisante en ce qui concerne la cosmologie.

[brillet]

Salut , bah non je dirai , il n’existe pas de particules répulsives qui émergent du vide quantique de façon permanente et universelle puisque l’expansion de l’univers est aujourd’hui expliquée par l’énergie noire , une forme d’énergie du vide qui agit de manière répulsive à grande échelle, mais ce n’est pas lié à des particules baryoniques ou à des collisions locales

Bonne soirée