Les champs quantiques sont-ils en expansion ?

[Christian Arnaud]

Amis de la quantique, bonjour

Apparemment les champs quantiques remplissent l'univers Mais alors une question vient immédiatement à l'esprit :

1) Ces champs accompagnent-ils l'univers depuis sa création et suivent-ils, comme lui, des périodes d'inflation et d'expansion ?

2) Au contraire, sont-ils pré-existants à l'univers ?

3) cette problématique n'a pas de sens ?

Merci de votre indulgence
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[Deedee81]

Bonjour,

Je me suis permis de corriger "chant" (comme chanteur) par "champ". J'ai failli archiver le message en croyant à une blague

1) Il faut bien voir ce qu'on entend par champ. Un champ est "quelque chose" (au sens très large) qui prend une valeur en chaque point. Comme le champ de température dans une pièce (une température précise en chaque point), ou le champ de vitesse de l'eau dans une rivière.

Il n'y a donc guère de sens à parler de l'expansion d'un champ, sauf par abus de langage. Ce qui est éventuellement en expansion c'est le "quelque chose" en question.

En physique moderne (théorie quantique des champs) toute particule (matière, lumière, etc...) est en fait représentée par un champ. Et les particules sont des états quantifiés de ce champ (un peu comme des vibrations, ou des ondes, ne prenant que certaines valeurs). La question est plus épineuse pour l'espace et le temps eux-mêmes, mais il semble qu'une telle réprésentation soit aussi possible/nécessaire. C'est le domaine de la gravité quantique et ce n'est pas encore tranché.

Donc, le "quelque chose" en question ce sont les particules, le contenu de l'univers lui-même. Et donc, forcément, c'est là depuis le début de l'univers et en expansion avec lui puisque c'est l'univers et l'univers est son contenu (espace et temps inclus).

2) La question 2 n'a donc guère de sens. Il y a (probablement) eut quelque chose avant l'instant habituellement noté T = 0 (début de l'expansion tel qu'on l'observe). Mais c'était déjà l'univers. Et on ne sait pas trop comment ça pouvait être (il y a des dizaines et des dizaines de modèles et théories, tous spéculatifs).

3) J'ai répondu

[Christian Arnaud]

Donc, le "quelque chose" en question ce sont les particules, le contenu de l'univers lui-même. Et donc, forcément, c'est là depuis le début de l'univers et en expansion avec lui puisque c'est l'univers et l'univers est son contenu (espace et temps inclus).

ok Deedee, et merci pour la correction

Alors, les caractéristiques de chacun de ces champs a pu varier au long de l'existence de l'univers, non ?

[obi76]

Bonjour,

Je me suis permis de corriger "chant" (comme chanteur) par "champ". J'ai failli archiver le message en croyant à une blague

J'aurai plutôt corrigé "quantique" par "cantique"

[A voir en vidéo sur Futura]

[Christian Arnaud]

J'aurai plutôt corrigé "quantique" par "cantique"

Allusion à l'ouvrage "Le cantique des quantiques", je suppose ? ou simple jeu de mots / chant ?

[obi76]

jeu de mots.

[Christian Arnaud]

bin, oui, obi, mais tu as cassé le fil de la discussion, alors je recopie ma dernière question à Deedee :

ok Deedee, et merci pour la correction

Alors, les caractéristiques de chacun de ces champs a pu varier au long de l'existence de l'univers, non ?

[Deedee81]

Salut,

bin, oui, obi, mais tu as cassé le fil de la discussion, alors je recopie ma dernière question à Deedee :

Akuna matata, je l'ai vu, mais j'étais absent (week end )

Alors, les caractéristiques de chacun de ces champs a pu varier au long de l'existence de l'univers, non ?

Oui et non Ca dépend un peu comment on le voit.

Prenons un exemple. On a des champs utilisés pour décrire chaque type de particules : électrons, photons, etc....

En particulier il y a :
- le champ pour décrire le photon, ce n'est rien d'autre que le champ électromagnétique. Il permet de décrire les échanges de photons et la force électromagnétique.
- le champ pour décrire les bosons intermédiaires W/Z (ou plutôt deux champs). Vecteur de les interactions dites faibles (responsable par exemple de la radioactivité bêta).

Il s'agit de deux interactions avec des propriétés extrêmement différentes. Par exemple, un photon libre est stable alors que les W/Z sont instables. Le W porte une charge elctrique, pas le photon. Le photon est sans masse, le W et le Z sont très massifs (c'est d'ailleurs pour ça qu'ils sont instables). La force électromagnétique a une portée virtuellement infinie, l'interaction faible a une très courte portée (guère plus que le diamètre d'un proton. Notons que ça aussi c'est lié à la masse des W/Z).

Pourtant, à haute énergie ça change (= haute densité, haute température, conditions de l'univers a ses débuts).
Les propriétés de ces deux interactions évoluent jusqu'à se ressembler et même être identiques.

Mais on peut aussi adopter un autre point de vue et utiliser pour modéliser ces particules UN seul champ, appelé champ électrofaible (cet fut un grand succès de la physique théorique d'y arriver, prix Nobel à la clef). Celui-ci décrit à la fois le photon et les bosons W et Z (je simplifie lourdement, mais inutile d'entrer dans les complications. Pour la petite histoire et pour les puristes : ce champ décrit en fait les doublets électrons/neutrino électronique, muons/neutrino muonique, etc... et les antiparticules. Et les bosons W/Z et le photon sont des champs qui permettent d'avoir une ivariance locale sous la symétrie).

Ce champ n'a pas varié au cours de l'histoire de l'univers, mais les conditions dans lesquelles ils se trouve, oui. L'énergie a diminué (baisse de la température, de la densité,...) ce qui a provoqué une brisure spontanée de symétrie (un peu comme un bic posé sur sa pointe, le moindre frémissement le fait tomber). C'est le mécanisme de Higgs qui prédit cette particule dont la découverte récente a conduit la aussi à un Nobel.

Sous cette rupture de symétrie, les W/Z ont acquis une masse et les deux interactions sont devenues très différentes. Il est alors infiniment plus facile de décrire l'électromagnétisme à l'aide du champ électromagnétique, qui devient une simplification (et donc, oui, ces champs ne sont que des modèles, il serait impropre de dire "ce champ existe ou ce champ n'existe pas", la seule chose qui existe c'est l'univers et son contenu et le reste ce n'est que des mots plaqués dessus et des modèles sophistiqués pour décrire ce contenu).

Certains pensent que cette brisure de symétrie pourrait être responsable de l'inflation initiale de l'univers (son expansion violente au tout début de l'histoire de l'univers) mais ça reste une spéculation. Pour le savoir il faut lier ça à la gravité, et là, pour le moment, on est encore dans le brouillard (on a trop de théories, pas assez de mesures).

[Christian Arnaud]

Merci Deedee pour cette réponse claire et assez complète.

Si tu veux, on peut clore la discussion ici