Edgard Gunzig : Que faisiez-vous avant le Big Bang ?

[inviteb14aa229]

Bonjour,

Je ne sais pas si quelqu'un parmi vous a lu l'ouvrage d'Edgard Gunzig, Que faisiez-vous avant le Big Bang ?, mais il me semble qu'à la page 190 un passage est proprement incompréhensible, comme s'il manquait un morceau.
J'ai donc écrit à l'éditeur, Odile Jacob, sans recevoir de réponse.
J'ai réussi à envoyer une lettre à l'auteur, via l'université de Bruxelles où il enseigne, et il m'a répondu de manière très laconique dans un mail qu'il y avait là un concept effectivement difficile à comprendre. En fait, ce n'était pas vraiment le sens de ma lettre.
Il me disait aussi dans ce mail qu'il m'écrirait de nouveau pour mieux s'expliquer - c'était en décembre 2008 -, mais je n'ai jamais eu d'autre réponse.
Est-ce que quelqu'un d'autre a lu ce bouquin ?

Paminode
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[invite88ef51f0]

Salut,
Je ne l'ai pas lu, mais peut-être peux-tu nous copier le passage en question (s'il n'est pas trop long), pour qu'on voie si on le comprend ?

[JPL]

Si tu avais utilisé la balise Quote cela aurait été lisible : on ne peut que deviner quand tu passes de la citation à ta propre prose.
Peux-tu recommencer avec la balise Quote et je supprimerai ce message devenu inutile ?

[inviteb14aa229]

Bonjour.

Voici quelques extraits de ce livre Que faisiez-vous avant le Big-bang ? par ailleurs remarquable et très clair, qui ne pose guère de difficulté de compréhension, sauf à la page 190, où il semblerait que quelque chose manque.

Voici les deux paragraphes qui constituent la moitié supérieure de cette page :

Imaginons un cylindre rempli de vide quantique. Le vide représente un état de la matière qui a atteint un niveau d’énergie minimale sous lequel il est quantiquement interdit de descendre. Sa densité d’énergie ne peut donc pas diminuer et reste constante même si le volume du cylindre augmente. Autrement dit, le milieu vide ne se dilue pas lorsque le volume qui lui est imparti augmente !
Il résulte inévitablement de cette propriété du vide que toute augmentation du volume du cylindre augmente, par cela même, son énergie interne totale. Dans ce cas, à l’inverse du cylindre rempli de gaz, c’est le "monde extérieur" qui fournit de l’énergie au piston pour que celui-ci augmente le volume du cylindre. Le piston n’est plus repoussé comme dans le premier cas mais au contraire, aspiré. Autrement dit, il faut "retenir" le piston pour qu’il ne diminue pas spontanément le volume occupé par le vide : il subit un effet de succion, donc une pression négative de la part du vide.

Reprenons depuis le début :

Imaginons un cylindre rempli de vide quantique. Le vide représente un état de la matière qui a atteint un niveau d’énergie minimale sous lequel il est quantiquement interdit de descendre. Sa densité d’énergie ne peut donc pas diminuer et reste constante même si le volume du cylindre augmente. Autrement dit, le milieu vide ne se dilue pas lorsque le volume qui lui est imparti augmente !
Il résulte inévitablement de cette propriété du vide que toute augmentation du volume du cylindre augmente, par cela même, son énergie interne totale.

Cette partie ne pose aucun problème de compréhension pour qui a lu les pages qui précèdent.

Mais voyons la phrase suivante :

Dans ce cas, à l’inverse du cylindre rempli de gaz, c’est le "monde extérieur" qui fournit de l’énergie au piston pour que celui-ci augmente le volume du cylindre.

C’est donc là, me semble-t-il, qu’il se révèlerait qu'il manque un bout, car il est maintenant fait soudain mention du cas où le cylindre est empli de gaz et pourvu d’un piston dont il n’a jamais été question auparavant. Et voyons la phrase suivante :

Le piston n’est plus repoussé comme dans le premier cas mais au contraire, aspiré.

Quel premier cas, a priori ? Le cas du cylindre "rempli de vide quantique" ou de celui "rempli de gaz" qui est mentionné en fait ensuite ?

Ce passage est donc, me semble-t-il, pour le moins mal formulé. Ce qui est très regrettable, car c’est précisément là qu’est introduite dans le livre cette notion clef de "pression négative du vide", qui est fondamentale pour la compréhension du reste du livre.

Pour une meilleure compréhension de l'ensemble, je cite deux phrases figurant en bas de la même page :

Dans le cas particulier du cylindre et du piston, il faut que toute variation de l’énergie interne du vide soit exactement compensée par l’énergie que dépense le piston afin que le bilan énergétique global de cette opération soit nul. Or, ces deux énergies sont toutes deux déterminées par les valeurs respectives de la densité d’énergie et de la pression du vide.

Il est de nouveau fait mention de cylindres plus loin dans le livre :

Ce contenu matériel se comporte comme un gaz chaud emprisonné dans un cylindre de volume minuscule qui se refroidit et se dilue progressivement lorsque le volume du cylindre augmente (milieu de la page 200).

C’est en effet cette expansion qui régit le taux de refroidissement du milieu cosmologique, à l’image du refroidissement d’un gaz chaud emprisonné dans un cylindre dont le volume augmente (page 254).

La première de ces deux phrases, de la page 200, donne l’impression de devoir figurer avant la page 190.
Mais ces deux phrases n’éclairent pas vraiment la page 190.

Ce que je crois donc avoir compris, c’est qu’il faut considérer un cylindre muni d’un piston, et tantôt vide, c’est-à-dire empli de vide quantique, et tantôt empli de gaz.
S’il est empli de gaz, il possède donc une pression interne qui a tendance à pousser le piston, et à augmenter le volume du cylindre. Jusque là tout va bien.
S’il est vide, et si j’ai bien compris, il possède sans doute une pression nulle, mais néanmoins une énergie minimale, d’origine quantique (le champ, lui, ne peut pas s’annuler).
L’absence de pression ne repousse donc pas le piston, et l’augmentation du volume du cylindre ne peut se faire que par intervention d’une énergie externe qui tire le piston de l’extérieur. L’énergie minimale quantique augmente en même temps que le volume du cylindre, puisqu’elle ne peut pas descendre en-dessous d’un seuil et donc se "diluer" dans le volume croissant.
Mais voilà qu’apparaît cette fameuse pression négative, et là j’ai du mal à suivre.

Auriez-vous une manière plus claire d'expliquer ce phénomène ?

Merci d'avance.

Paminode

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteb14aa229]

Bonjour JPL,

Merci pour votre message.
Voir ci-dessus la nouvelle version du mail.

Paminode

[mtheory]

S’il est vide, et si j’ai bien compris, il possède sans doute une pression nulle, mais néanmoins une énergie minimale, d’origine quantique (le champ, lui, ne peut pas s’annuler).
L’absence de pression ne repousse donc pas le piston, et l’augmentation du volume du cylindre ne peut se faire que par intervention d’une énergie externe qui tire le piston de l’extérieur. L’énergie minimale quantique augmente en même temps que le volume du cylindre, puisqu’elle ne peut pas descendre en-dessous d’un seuil et donc se "diluer" dans le volume croissant.
Mais voilà qu’apparaît cette fameuse pression négative, et là j’ai du mal à suivre.

Auriez-vous une manière plus claire d'expliquer ce phénomène ?

Merci d'avance.

Paminode

L'énergie se conservant, il faut bien prendre quelque part l'énergie du vide qui apparait lorsque le volume du cylindre augmente. Avec un gaz, sans intervention d'un opérateur extérieur, le volume doit croitre par détente du gaz=la pression est positive.

Maintenant, dans le cas du vide quantique, si l'opérateur tire sur le piston pour augmenter le volume mais que la pression est négative, il lutte contre un force ce qui correspond pour lui à un travail négatif = il perd de l'énergie. L'énergie qu'il perd c'est précisément celle que l'on va retrouver dans le nouvel espace occupé par le vide quantique.

[inviteb14aa229]

mais que la pression est négative,

Bonjour Mtheory,

Je vous remercie pour votre réponse.
J'ai bien compris que l'augmentation de l'énergie du vide à l'intérieur du cylindre correspondait au travail que l'opérateur fournit au piston. Ainsi le bilan énergétique est conservé.
Mais ce que je ne saisis pas, c'est l'idée de cette apparition d'une pression négative, et donc d'une force résistant à la traction du piston par l'opérateur, et donc encore d'un effet de "succion" pour reprendre le terme d'Edgard Gunzig.
Une pression négative ???

Paminode

[mtheory]

Mais ce que je ne saisis pas, c'est l'idée de cette apparition d'une pression négative, et donc d'une force résistant à la traction du piston par l'opérateur, et donc encore d'un effet de "succion" pour reprendre le terme d'Edgard Gunzig.
Une pression négative ???

Paminode

Où est le problème ? La pression n'est jamais qu'une force rapportée à une surface, donc un force qui tire vers l'intérieur c'est automatiquement une pression négative non ?

[inviteb14aa229]

Où est le problème ? La pression n'est jamais qu'une force rapportée à une surface, donc un force qui tire vers l'intérieur c'est automatiquement une pression négative non ?

Soit, mais d'où apparaît cette pression négative ? Initialement, avant que l'opérateur actionne le piston, j'imagine que la pression interne peut être considérée comme nulle, puisqu'il y a le vide. Pourquoi ne demeure-t-elle pas nulle ?

Paminode

[invitebd2b1648]

Où est le problème ? La pression n'est jamais qu'une force rapportée à une surface, donc un force qui tire vers l'intérieur c'est automatiquement une pression négative non ?

Oui mais une pression c'est aussi une énergie par un volume ...
Donc pour une pression négative, l'énergie doit-être négative, puisqu'un volume négatif n'a pas de sens physique ... non ?

Cordialement,

[Gilgamesh]

Oui mais une pression c'est aussi une énergie par un volume ...
Donc pour une pression négative, l'énergie doit-être négative, puisqu'un volume négatif n'a pas de sens physique ... non ?

Cordialement,

Ca dépend de l'équation d'état. Soit la densité d'énergie d'un milieu (soit U/V avec U l'énergie interne et V le volume), et P sa pression.

L'équation d'état relie la pression à la densité d'énergie.



La valeur de w dépend du milieu. Par exemple pour le rayonnement w=1/3. Pour le vide, on a w<0


Donc l'énergie est positive, mais la pression est négative.

a+

[invitebd2b1648]

Ah OK d'accord je ne pensais pas qu'il fallait considérer la densité d'énergie en fonction de w, mais c'est quoi w ?

@ +

[Gilgamesh]

Ah OK d'accord je ne pensais pas qu'il fallait considérer la densité d'énergie en fonction de w, mais c'est quoi w ?

@ +

Ben c'est juste le paramètre kivabien qui rend compte de la physique du phénomène et qui décrit comment la densité d'énergie engendre une pression.

a+

[Pio2001]

Bonjour Paminode,
Je suis d'accord avec toi, le passage cité dans le livre est très nébuleux.

Je trouve l'explication de mtheory plus claire. Imagine le vide quantique comme un fluide dont la concentration est fixe (le vide a une "masse volumique" comme disent Séguin et Villeneuve dans leur livre sur l'Astrophysique, sachant que masse et énergie sont une seule et même chose).
Lorsque l'espace se dilate sous l'effet de l'expansion de l'univers, une certaine quantité de ce fluide apparaît "à partir de rien" pour occuper la place nouvellement créée.

Comme l'explique mtheory, cette augmentation d'énergie se reporte sur la "force d'expansion", pour employer des termes de physique classique. Puisque lors de la dilatation l'énergie du contenu augmente, alors obligatoirement, cela génère une force qui s'oppose à cette dilatation. Le travail fourni par cette force étant égal à l'énergie créée par la dilatation.

Cette force est opposée à l'augmentation de volume, c'est donc une "pression négative", puisqu'une pression positive tend à faire augmenter le volume.

Initialement, avant que l'opérateur actionne le piston, j'imagine que la pression interne peut être considérée comme nulle, puisqu'il y a le vide. Pourquoi ne demeure-t-elle pas nulle ?

Il me semble qu'en effet, avant que l'opérateur actionne le piston, la pression devrait être nulle.
Mais l'univers est en expansion. Cette expansion provoque l'augmentation d'énergie, donc une force associée, donc une pression négative.

J'en déduis que si l'univers était en contraction, la pression liée à l'énergie du vide serait positive, c'est bien cela ?

[inviteb14aa229]

Bonjour Pio,

Désolé pour le retard de cette réponse, mais bizarrement je ne reçois plus de mail sur ma boîte personnelle m'avertissant qu'un nouveau message est arrivé sur un forum Futura, et j'ai donc malencontreusement négligé cette discussion durant quelques jours par accident.
Je ne sais d'ailleurs pas comment on rétablit ce lien automatique.

Votre explication :

Comme l'explique mtheory, cette augmentation d'énergie se reporte sur la "force d'expansion", pour employer des termes de physique classique. Puisque lors de la dilatation l'énergie du contenu augmente, alors obligatoirement, cela génère une force qui s'oppose à cette dilatation. Le travail fourni par cette force étant égal à l'énergie créée par la dilatation.
Cette force est opposée à l'augmentation de volume, c'est donc une "pression négative", puisqu'une pression positive tend à faire augmenter le volume.

me paraît intéressante.
Mes souvenirs de physique étant lointains, je ne me souviens plus très bien de ce qu'est une "force d'expansion".
Mais si j'ai bien compris, le fait que la densité d'énergie du vide soit constante, et ne se dilue pas comme le ferait celle d'un gaz, de l'énergie doit donc apparaître de quelque part pour maintenir cette densité constante lors de l'expansion, c'est-à-dire de l'augmentation de volume ; et cela se manifeste à travers une "résistance" à l'expansion, exprimée par une force ou pression négative.
Mais à propos, si l'énergie ne cesse d'augmenter, d'où vient cette énergie ?
Et est-ce que cette "pression négative" ne devrait pas ralentir l'expansion ?

Paminode

[JPL]

Je ne sais d'ailleurs pas comment on rétablit ce lien automatique.

Tableau de bord/Modifier vos options et dans le volet de droite : Mode de suivi par défaut.

[Pio2001]

si l'énergie ne cesse d'augmenter, d'où vient cette énergie ?

Difficile à dire, d'une part parce que formaliser la conservation de l'énergie en relativité générale dans un univers en expansion n'est pas chose facile, et encore moins lorsque la théorie des particules s'en mêle avec son "vide pas vide".
On n'a même pas de cadre théorique complet pour poser la question de façon bien nette.

Et est-ce que cette "pression négative" ne devrait pas ralentir l'expansion ?

Oui, mais l'effet est sûrement très compliqué, car d'un autre côté, cela rajoute de l'inertie. Et en plus cela modifie la courbure de l'espace, qui est elle-même liée à l'expansion.
Du coup, c'est cette même énergie du vide, qui s'accumule lors de l'expansion, qui aurait pu être à l'origine du possible épisode d'inflation, durant lequel, très tôt dans l'histoire de l'univers, l'expansion aurait brusquement accéléré, atteignant une vitesse inimaginable pendant un temsp très court.

[inviteb14aa229]

Bonjour Pio,

Merci pour ces réponses, mais j'ai l'impression qu'il s'agit d'un domaine pour le moment encore un peu nébuleux.

Paminode

[inviteb14aa229]

Bonjour Balsamine,

Merci pour l'annonce.
Mais Schaerbeek, cela fait quand même un peu loin de Paris...

Cela étant, Mtheory et Pio m'ont bien éclairci les idées.
Ce qui m'étonne, c'est que les correcteurs des éditions Odile Jacob aient laissé passer ce passage embrouillé.

[invite14397db8]

2 heures de thalyss je crois. C'est encore faisable (bon par contre, c'est cher O_O).