nature physique du vide

[06thestrokes]

Bonjour à tous

Voilà je me pose les questions suivantes :

1°) Quel est la température moyenne dans le vide de l'espace ?
Corrigez moi si je me trompe, sans matière il ne peut y avoir d'agitation thermique ?
Peut on parler de température dans une enceinte ou est créée un vide quasi total artificiellement ?

2°)Une fusée spatiale en regime de croisière ne peut elle pas théoriquement atteindre une vitesse phénoménale ?
En partant du postulat suivant :
-frottement quasi inexistant ou excessivement faible (absence de matière)
Avec une accélération convenable non exagéré, on pourrait atteindre rapidement une vitesse colossale.
Quel phénomène fait obstacle ?

Merci de me répondre.
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[invite499b16d5]

Bonjour
perso, je me bornerai à la question 2.
As-tu entendu parler de la Relativité ? Si par phénoménale, tu veux dire 150000 km par seconde, en théorie tu as raison. Si tu veux dire 500000, c'est niet, parce que rien ne peut aller plus vitesse que 300000 km/s (vitesse de la lumière)

[misterdealer]

La temperature dans l'espace est de 3K dans toutes les directions. Y a toujours du rayonnement electromagnétique qui se balade.

[invite499b16d5]

Oui, mais il s'agit d'une température de photons, ce qui est beaucoup moins intuitif à comprendre que dans le cas "matière". Des photons s'entrechoquent-ils?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Armen92]

Oui, mais il s'agit d'une température de photons, ce qui est beaucoup moins intuitif à comprendre que dans le cas "matière". Des photons s'entrechoquent-ils?

Non, pas vraiment, mais il y a aussi ce qu'il faut de matière pour permettre au gaz parfait de photons de se maintenir à l'équilibre.

[invite499b16d5]

Non, pas vraiment, mais il y a aussi ce qu'il faut de matière pour permettre au gaz parfait de photons de se maintenir à l'équilibre.

Bonjour,
ça m'intéresse, pourrais-tu être plus précis? cette notion hyper-théorique de température exigerait si je comprends bien la présence... disons d'impuretés?
Que faut-il entendre par équilibre? "Température" identique en tous points, je me doute, mais en quoi les impuretés y contribuent-elles?

[mariposa]

Oui, mais il s'agit d'une température de photons, ce qui est beaucoup moins intuitif à comprendre que dans le cas "matière". Des photons s'entrechoquent-ils?

Bonjour,


La température T est un paramètre qui décrit la probabilité P(E,T) que le système ait l'énergie E à l'équilibre thermodynamique lorsque le système est en contact avec un thermostat à la température T.

En toute généralité la distribution est la distribution de Gibbs:

P(E) = 1/Z. exp (-E/k.T)

Dans le cas particulier du gaz de photons dans une enceinte à Température T il s'agit d'un gaz de bosons sans interactions et la loi de probabilité est la distribution de Bose-Einstein qui déduit de la distribution de Gibbs précédente.

[mariposa]

Bonjour,
ça m'intéresse, pourrais-tu être plus précis? cette notion hyper-théorique de température exigerait si je comprends bien la présence... disons d'impuretés?
Que faut-il entendre par équilibre? "Température" identique en tous points, je me doute, mais en quoi les impuretés y contribuent-elles?

Bonjour,

Les impuretés ne jouent aucun rôle.

[Deedee81]

Salut,

ça m'intéresse, pourrais-tu être plus précis? cette notion hyper-théorique de température exigerait si je comprends bien la présence... disons d'impuretés?
Que faut-il entendre par équilibre? "Température" identique en tous points, je me doute, mais en quoi les impuretés y contribuent-elles?

Je n'ai pas trop compris la remarque en fait. Le rayonnement dossile est à (environ) 3K, il n'a pas besoin de matière pour ça.

EDIT : croisement avec Mariposa

Par contre, le vide n'est jamais tout à fait vide, ça c'est vrai. Et on ne trouve pas d'endroit plus froid que 3K car la matière interagit avec ce rayonnement. Sauf en laboratoire (ou on abaisse "artificiellement" la température).

Je ne suis même pas tout à fait d'accord sur l'état d'équilibre car, à cause du vide poussé, la mise à l'équilibre est extrêmement lente (et le rayonnement fossile tres faible). Il n'est pas rare de trouver dans le vide spatial des populations de particules (protons, électrons,...) avec des températures (effectives) extrêmement élevées (parfois le million de degrés, l'origine de telles températures doit être liée aux interactions avec les champs magnétiques, comme la courone solaire qui est plus chaude que le soleil !, mais à ma connaissance c'est encore un peu mal compris).

Y a-t-il un astrophysicien dans la salle pour apporter des précisisions sur la température des particules du "vide" spatial ?

[mariposa]

Y a-t-il un astrophysicien dans la salle pour apporter des précisisions sur la température des particules du "vide" spatial ?

Bonjour,


Les particules en question sont hors d'équilibre thermodynamique et donc tu ne peux pas leur attribuer à priori de température (sauf cas exceptionnels où un type de particules interagirait entre elles uniquement).

Apparemment ce serait le cas pour le gaz de neutrinos qui serait à une température plus faible que le gaz de photons.

[invite499b16d5]

Les particules en question sont hors d'équilibre thermodynamique et donc tu ne peux pas leur attribuer à priori de température (sauf cas exceptionnels où un type de particules interagirait entre elles uniquement).

Bonjour,
en réunissant ce qui est dit ici,
il semble que la définition de l'équilibre soit... bancale.
Equilibre thermo= tous les points à la même température
Hors équilibre= pas de température définie
Comment font des températures non définies pour "s'égaliser"?

[Armen92]

Salut,



1) Je n'ai pas trop compris la remarque en fait. Le rayonnement dossile est à (environ) 3K, il n'a pas besoin de matière pour ça.

EDIT : croisement avec Mariposa

2) Par contre, le vide n'est jamais tout à fait vide, ça c'est vrai. Et on ne trouve pas d'endroit plus froid que 3K car la matière interagit avec ce rayonnement. Sauf en laboratoire (ou on abaisse "artificiellement" la température).

3) Je ne suis même pas tout à fait d'accord sur l'état d'équilibre car, à cause du vide poussé, la mise à l'équilibre est extrêmement lente (et le rayonnement fossile tres faible). Il n'est pas rare de trouver dans le vide spatial des populations de particules (protons, électrons,...) avec des températures (effectives) extrêmement élevées (parfois le million de degrés, l'origine de telles températures doit être liée aux interactions avec les champs magnétiques, comme la courone solaire qui est plus chaude que le soleil !, mais à ma connaissance c'est encore un peu mal compris).

Y a-t-il un astrophysicien dans la salle pour apporter des précisisions sur la température des particules du "vide" spatial ?

1) Si ! En l'absence de matière permettant de redistribuer les fluctuations d'énergie, il n'y a pas d'équilibre possible (comme dans un gaz parfait d'atomes : s'il n'y avait pas de collisions, il n'y aurait pas d'équilibre).
Deux photons ne peuvent se voir que si, par exemple, des atomes sont là pour absorber et réémettre.
2) La température est de nature statistique, et se réfère à un milieu homogène. On peut néanmoins définir une température locale variant d'un endroit à l'autre pourvu que l'on raisonne sur un sous-système possédant un nombre assez grand de degrés de liberté, ce qui permet de donner un sens à la notion d'équilibre local.
Ce sont ces hypothèses physiques nécessaires qui permettent de valider l'équation de la chaleur (avec l'hypothèse supplémentaire d'une réponse linéaire.
3) Evidemment, tout comme quand on soumet un milieu conducteur à un choc thermique local, il existe un régime transitoire avec des régions chaudes et des régions froides.
Et si le milieu est soumis à une excitation thermique périodique, la température fait de même (c'est pourquoi une bonne cave à vins doit être assez loin dans le sol !)

[Armen92]

Bonjour,
en réunissant ce qui est dit ici,
il semble que la définition de l'équilibre soit... bancale.
Equilibre thermo= tous les points à la même température
Hors équilibre= pas de température définie
Comment font des températures non définies pour "s'égaliser"?

Non, non et non, la notion d'équilibre n'a rien de bancal.
L'équilibre thermodynamique ne suppose nullement que la température est la même partout (heureusement). Une température variable dans le temps et/ou l'espace exige seulement que l'on a pu définir la notion d'équilibre local.
C'est possible pour un système possédant un assez grand nombre de particules. Dans le cas contraire, la notion persiste mais les fluctuations (relatives) deviennent pertinentes.

[Deedee81]

Les particules en question sont hors d'équilibre thermodynamique et donc tu ne peux pas leur attribuer à priori de température (sauf cas exceptionnels où un type de particules interagirait entre elles uniquement).

Oui, je sais, c'est pour cela que je parlais de température effective. Mais je ne sais pas comment on calcule cela.

Armen,

Il n'y a pas besoin d'équilibre pour le gaz de photons. Ou as-tu été chercher ça ? C'est un rayonnement de corps noir émis il y a treize milliards d'années et qui se propage en gardant son caractère corps noir. Le décalage vers le rouge cosmologique lui donne alors une témpérature (de corps noir) de 2,7 K. Pas besoin d'un équilibre avec le vide ou son contenu pour ça.

Depuis quand a-t-on besoin de matière entre le rayonnement de corps noir émis par un four et le capteur thermique pour capter une température uniforme ?

En outre, je le rappelle, le vide spatial est rarement en équilibre.

Ce qui doit être en équilibre thermique c'est le gaz qui a émit ce rayonnement. Et là, oui, il l'était et même très bien.

[Armen92]

Oui, je sais, c'est pour cela que je parlais de température effective. Mais je ne sais pas comment on calcule cela.

Armen,

1) Il n'y a pas besoin d'équilibre pour le gaz de photons. Ou as-tu été chercher ça ? C'est un rayonnement de corps noir émis il y a treize milliards d'années et qui se propage en gardant son caractère corps noir. Le décalage vers le rouge cosmologique lui donne alors une témpérature (de corps noir) de 2,7 K. Pas besoin d'un équilibre avec le vide ou son contenu pour ça.

2) Depuis quand a-t-on besoin de matière entre le rayonnement de corps noir émis par un four et le capteur thermique pour capter une température uniforme ?

3) En outre, je le rappelle, le vide spatial est rarement en équilibre.

4) Ce qui doit être en équilibre thermique c'est le gaz qui a émit ce rayonnement. Et là, oui, il l'était et même très bien.

1) Si !!! La loi de Planck est une loi décrivant l'équilibre (lire ou relire les classiques : Landau, Diu et al,.........).
2) Les parois du four sont faites d'atomes (relisez Einstein).
3) Bien sûr, car ce que vous appelez "le vide spatial" est inhomogène.
4) Quel est le gaz (?) qui a émis (pas "émit") ce rayonnement ? Etait-il à l'équilibre il y a treize milliards d'années ?!

[mariposa]

Bonjour,
en réunissant ce qui est dit ici,
il semble que la définition de l'équilibre soit... bancale.
Equilibre thermo= tous les points à la même température
Hors équilibre= pas de température définie
Comment font des températures non définies pour "s'égaliser"?

Quant tu as 2 parties A et B (pas forcemment à l'équilibre thermodynamique) en interaction et que attends le temps nécessaire le système évolue vers l'équilibre thermodynamique qui dans ce cas là correspond à l'état d'entropie maximale.

Une version simple:

A est à température T1 et B est à température T2. Tu les met en contact et tout cela évolue vers une température d'équilibre thermodynamique qui vaut T et qui se calcul facilement.

[Mr Canard]

Juste une petite question. Le vide a une température autour de 3 K. Mais la température de 0 K, on la retrouve où ? Où il y aurait du vide absolu alors ?

[mariposa]

Oui, je sais, c'est pour cela que je parlais de température effective. Mais je ne sais pas comment on calcule cela.

C'est simple dans le principe et compliqué en pratique.


Quand tu fais de la thermodynamique hors d'équilibre tu résous l'équation de Boltzmann qui te donne des fonctions de distribution en vitesses et en position f(v,r,t) des particules.

dans certains cas tu peux fitter la courbe par une distribution de Maxwell-Boltzmann et le fit te fait apparaitre une température effective.

dans certains cas tu peux avoir une distribution telle que localement tu attribues une température effective T(r) qui dépend de r et c'est ce que l'on appelle l'approximation hydrodynamique.

La mécanique des fluides qui est un système hors d'équilibre thermodynamique se place par hypothèse que chaque particule fluide est un système à l'équilibre thermodynamique, ce qui veut dire que la différence de température entre 2 points est infinitésimale à l'échelle mésoscopique (cad à l'échelle de la particule fluide)

Il n'y a pas besoin d'équilibre pour le gaz de photons. Ou as-tu été chercher ça ? C'est un rayonnement de corps noir émis il y a treize milliards d'années et qui se propage en gardant son caractère corps noir. Le décalage vers le rouge cosmologique lui donne alors une témpérature (de corps noir) de 2,7 K. Pas besoin d'un équilibre avec le vide ou son contenu pour ça.

Le gaz de photons est à l'origine à l'équilibre thermodynamique et subit une détente adiabatique et c'est pourquoi il est très froid aujourd 'hui

Depuis quand a-t-on besoin de matière entre le rayonnement de corps noir émis par un four et le capteur thermique pour capter une température uniforme ?

Un gaz de photons a besoin d'un thermostat pour se mettre en équilibre car les interactions photons-photons sont nulles.

[mariposa]

Juste une petite question. Le vide a une température autour de 3 K. Mais la température de 0 K, on la retrouve où ? Où il y aurait du vide absolu alors ?

La température et la notion de vide sont 2 choses indépendantes.

Dans les laboratoires on arrive à refroidir avec des techniques compliquées un ensemble de particules a des températures inférieures au µK.

Le vide classique c'est quand il n'y a pas de particules et donc pas de notion de Température puisque la notion de température est une caractéristique de la distribution en énergie des particules.

[invite499b16d5]

Le gaz de photons est à l'origine à l'équilibre thermodynamique

Un gaz de photons a besoin d'un thermostat pour se mettre en équilibre

Salut,
il y aurait pas comme une contradiction, là?

[Deedee81]

Mariposa,

Merci pour la température effective.

1) Si !!! La loi de Planck est une loi décrivant l'équilibre (lire ou relire les classiques : Landau, Diu et al,.........).
2) Les parois du four sont faites d'atomes (relisez Einstein).
3) Bien sûr, car ce que vous appelez "le vide spatial" est inhomogène.
4) Quel est le gaz (?) qui a émis (pas "émit") ce rayonnement ? Etait-il à l'équilibre il y a treize milliards d'années ?!

1) Oui. Je connais, c'était une partie de mon cours de physique statistique.
2) Oui
3) Oui
4) Oui. Le 2 et au 4, je l'avais déjà dit plus haut. Inutile de répéter.

Mais comme la question sur l'équilibre ne concernait pas le gaz ayant émit ce rayonnement il y a 13 milliards d'années mais le vide spatial actuel (il serait d'ailleurs incroyablement abusif de parler de vide à l'époque de la recombinaison), non, il n'y a pas équilibre entre le rayonnement fossile et la matière résiduelle du vide.

Maintenant je me rend compte que ta réponse était correcte mais que tu n'as simplement pas répondu à la bonne question

C'est quand même vexant. Tu demandes "Etait-il à l'équilibre il y a treize milliards d'années ?!" alors que, dans le message auquel tu répondais, je disais que ce gaz était bien à l'équilibre il y a 13 milliards d'années. Ce n'est pas très sympa de t'empresser de réponse par un "Si" sans avoir même lu attentivement mon message.

[mariposa]

Salut,
il y aurait pas comme une contradiction, là?

Je comprend tout à fait que cela apparait comme une contradiction.

Je fais là comparaison entre les 2 situations en explicitant.

Le rayonnement fossile à 2K.

Le gaz de photons aujourd'hui est à l'équilibre thermodynamique (T = 2,7 K) et se trouve dans cet état non pas par leurs interactions mutuelles (elles sont nulles) mais parce qu'il y a 13,7 Milliards d'années ce que gaz était en contact avec un thermostat (formé par les électrons et les protons).

300 000 ans après le Big-Bang le gaz des photons est découplé du thermostat et subit une détente adiabatique (cad une augmentation de volume sans échange d'énergie avec l'extérieur, qui n'existe pas) et se retrouve aujourd'hui à une température très basse.


Le gaz de photons dans une enceinte.

Supposons une enceinte dont les parois sont à une température très basse (considérée comme nulle).

Introduisons une source d'un rayonnement laser (par un petit trou percé à travers la paroi de l'enceinte) qui pendant un certain temps remplisse le vide (de molécules) d'une quantité d'énergie E. Le système est très très loin de l'équilibre thermodynamique. Comment le système va évoluer vers l'équilibre thermodynamique?

Le rayonnement laser va d'abord être absorbé par les parois de l'enceinte. A cause du grand nombre de degrés de liberté de l'enceinte cette énergie absorbée va être réémise à plusieurs longueurs d'onde. ces nouvelles longueurs d'onde vont être elles-mêmes absorbées par les parois qui à nouveau ...

Au bout d'un certain nombre d'aller et retour de l'énergie le système tout entier va se trouver à une température T qui traduit l'équilibre thermodynamique tout entier du système photons + enceinte.


L'équilibre photonique sera traduit par une distribution de Bose-Einstein à Température T et l'enceinte par une distribution de Gibbs à température T.

[invite499b16d5]

Je comprends mieux ainsi.
Question subsidiaire: qu'est-ce qui empêche les photons d'avoir des interactions mutuelles? Après tout, étant délocalisés, chacun baigne dans le gaz de tous les autres.
La notion même de gaz semble étrange pour des quantons non localisés

[mariposa]

Je comprends mieux ainsi.
Question subsidiaire: qu'est-ce qui empêche les photons d'avoir des interactions mutuelles? Après tout, étant délocalisés, chacun baigne dans le gaz de tous les autres.

2 électrons interagissent électriquement parce qu'ils portent chacun une charge électrique.

2 corps interagissent gravitationnelement parce qu'ils portent une masse (qui joue le rôle de la charge électrique).

Le photon n'a aucun type de charge et donc ils n'interagissent pas entre-eux.

La notion même de gaz semble étrange pour des quantons non localisés

Absolument. C'est une très bonne remarque.

On parle de gaz parce que l'on prend comme image du photon celle d'une particule. Donc tout se passe comme si on avait un gaz.

[invité576543]

Question subsidiaire: qu'est-ce qui empêche les photons d'avoir des interactions mutuelles?

C'est poser la question à l'envers. Les théories cherchent à expliquer ce qu'on constate, ce qu'on observe, plutôt que ce qu'on n'observe jamais.

Nul doute que si les photons interagissaient, les théories physiques "expliqueraient" (du moins modéliseraient) cela.

Bref, il ne faut pas s'attendre que les théories répondent, en général, à une question "pourquoi ceci ou cela n'arrive pas". Les seuls cas où les théories donnent des éléments de réponse, c'est quand une partie des théories prédit que quelque chose devrait arriver alors qu'on ne l'observe pas. Alors on étend la théorie par une règle d'interdiction, au pire de manière ad-hoc (auquel cas ce n'est pas vraiment une explications non plus, cela ne rajoute rien à l'information de base : on observe que cela ne se produit pas).

Cordialement,

[invite499b16d5]

2 électrons interagissent électriquement parce qu'ils portent chacun une charge électrique.

2 corps interagissent gravitationnelement parce qu'ils portent une masse (qui joue le rôle de la charge électrique).

Le photon n'a aucun type de charge et donc ils n'interagissent pas entre-eux.

Ca me paraît quand même méchamment réducteur... à écouter ça, on dirait que le photon ne porte, lui, absolument rien. Or il porte au moins, ça nous le savons, de l'énergie. Et si deux énergies s'avèrent rigoureusement incapables d'avoir un effet l'une sur l'autre, c'est à désespérer du sens qu'il faut donner à ce mot!

[invité576543]

(..)non, il n'y a pas équilibre entre le rayonnement fossile et la matière résiduelle du vide.

Bien d'accord avec le point que tu fais là. Mais je me demande si on ne peut pas poser une question différente : si le rayonnement fossile n'est pas, en lui-même, à l'équilibre (maintenant). Pas au sens d'interactions internes, mais au sens de la statistique du corps noir.

Celle-ci contient deux aspects : la distribution de la densité relative de photons selon la fréquence, et la densité volumique des photons.

Le rayonnement fossile a-t-il la densité volumique attendu pour sa température?

Je ne connais pas la réponse, mais j'avais cru comprendre que c'est oui, parce que son refroidissement est dû à l'expansion géométrique de l'espace (avec un petit miracle sur les exposants, il me semble me rappeler un message de Coincoin sur le sujet).

Du coup ce rayonnement serait d'une certaine manière à l'équilibre, et sa température aurait un certain sens.

C'est à comparer avec par exemple le rayonnement solaire qui baigne la Terre : la distribution relative est grossièrement celle du corps noir à 5800 K, mais sa densité volumique est bien trop faible pour cette température : le rayonnement ne peut pas être présenté comme à l'équilibre...

Cordialement,

[Deedee81]

Bien d'accord avec le point que tu fais là. Mais je me demande si on ne peut pas poser une question différente : si le rayonnement fossile n'est pas, en lui-même, à l'équilibre (maintenant). Pas au sens d'interactions internes, mais au sens de la statistique du corps noir.

Si, bien sûr, je disais d'ailleurs au début qu'il conservait ses caractéristiques de rayonnement de corps noir durant sa propagation (à part sa température qui diminue à cause du décalage vers le rouge cosmologique). Mais pas pour les raisons qui avaient été invoquées (interaction avec le peu de matière restant dans le vide).

Le rayonnement fossile a-t-il la densité volumique attendu pour sa température?

Oui. C'est un "vrai rayonnement de corps noir". Heureusement, il n'y a pas que le décalage vers le rouge, il faut aussi tenir compte de la diminution de densité volumique avec l'expansion. Sinon ce ne serait pas le cas !

Je ne connais pas la réponse, mais j'avais cru comprendre que c'est oui, parce que son refroidissement est dû à l'expansion géométrique de l'espace (avec un petit miracle sur les exposants, il me semble me rappeler un message de Coincoin sur le sujet).

Voilà, tout à fait. La densité d'énergie est en T^4, la densité d'énergie en 1/L^3 (L longueur caractéristique due à l'expansion) et la longueur d'onde en 1/L (redshift) et donc l'énergie des photons. D'où le petit miracle.

D'accord aussi avec le reste

[06thestrokes]

Je vois que la question 1 est rudement avançé, merci !
Bien des choses me dépasse...On verra ca plus tard !
Pour l'heure je retiens ce qu'a dit mariposa :


Le vide classique c'est quand il n'y a pas de particules et donc pas de notion de Température puisque la notion de température est une caractéristique de la distribution en énergie des particules.

C'est se que je voulais entendre j'étais pas sur du tout, merci.

Et pour la 2eme question sinon ?
Betatron,
Oui je me doute qu'on atteindra jamais la vitesse de la lumière en fusée...Mais tes 150000km.s-1 son théoriquement possible, tu le dis aussi ?
Le truc c'est qu'intuitivement ca me semble pas possible, et donc j'amerais comprendre ce qui, si je me trompe pas, ferais obstacle a un telle vitesse ?

[Deedee81]

Le truc c'est qu'intuitivement ca me semble pas possible, et donc j'amerais comprendre ce qui, si je me trompe pas, ferais obstacle a un telle vitesse ?

Pourquoi est-ce intuitivement ça ne te semble pas possible ?

Il n'y a pas grand chose pour faire obstacle. La densité de particules dans le vide spatial est vraiment très faible. Trop pour constituer un obstacle même à cette vitesse.