Question : dynamique du vide

[invite2d1f76fb]

Bonjour,

Au fur et à mesure de mes lectures (Feynman, Klein, Galfard, Luminet, FUTURA-Sciences ...) dans ma quête d'enseignement je m'enfonce malgré moi dans une hypothèse qui me lancine. Il est possible que ce post soit directement mis à la poubelle mais je souhaite réellement avoir vos réponses afin de redessiner le contour de ma compréhension.

L'espace temps se déforme (expansion, ondes gravitationnelles) et le vide quantique donne naissance à des particules (m=E/C² --> LHC ...). C'est un fait. Malgré les outils mathématiques qui diffèrent et le fait que l'unification n'ait pas encore été réalisé je ne peux pas m'imaginer que le vide de l'infiniment grand ne soit pas le même que celui de l'infiniment petit.

Voilà donc mes questions avec mes excuses pour les puristes :
-> Les quarks ne pourraient-ils pas être des zones de crispation, voir de rétraction du vide ?
-> L'énergie de la masse pourrait-elle être de l'énergie d'expansion prise au vide ?
-> L'onde électromagnétique pourrait-elle être imaginée comme de l'énergie d'expansion rendu au vide par la matière ?
-> Le trio de quarks ne pourrait-il pas générer des ondes avec aux points de condensation de crête ondulatoire, l'électron ?
-> La nature profonde de la gravité ne peut-elle pas être imaginé comme la combinaison d'une déformation mais aussi le fruit d'une tension exercé par l'expansion du vide contrariée par la masse. (L’image: tendre deux draps à plat l'un contre l'autre, glisser deux balles entre les deux draps, puis tendre fortement les draps: les balles sont poussées l'une vers l'autre...)
-> Si l'univers était exempt de matière il serait pour ainsi dire vide. Il n'existerait alors qu'un seul référentiel. Comment parler d'espace-temps dans cette condition ? Le temps ne pourrait-il pas être le fruit physique de la désynchronisation de la matière vis à vis de ce référentiel que serait l'univers vide ? La densité du temps pour un objet de masse m serait inversement proportionnelle à la quantité d'énergie prise au vide (masse et inertielle).
-> La dernière question ! Le vide ne serait-il pas comme une bâche de piscine froissée qui se déploie petit à petit à la surface de l'eau en dénouant les plis un à un ?

Un immense merci pour vos éventuelles réponses

Si jamais ce n'est pas le lieu pour poser ces questions pourriez-vous m'indiquer ou puis-je le faire ?
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[invitea1a336d3]

bonsoir,
attention à ne pas vous laisser trop vous "enfoncer" dans le vide !
il y a tant de choses encore non élucidées, je ne suis pas contre pour que chacun essaie de se faire sa propre idée des phénomènes
mais les modérateurs ont une autre approche, vous verrez bien ...
il y a trop de questions dans votre questionnement, cela part un peu dans tous les sens
cela doit être causé par une surpression exercée par le vide (humour)
attention quand vous parlez de "densité" de temps (relié à une masse m ! ?) en 1/Energie-prise-au-vide, cela fait carrément loufoque (loufoque au carré donc)
pour la gravitation, la masse contrariant l'expansion du vide, si cela vous fait plaisir de spéculer au carré, spéculez, mais attention à la chute dans le vide ...
dans votre "hypothèse" il semble que le vide explique tout ... un peu trop tout ?
j'ai trouvé au moins une phrase pour laquelle je suis à 100% en accord avec vous : "Si l'univers était exempt de matière il serait pour ainsi dire vide"
continuez de lire, cela ne pourra pas vous faire de mal, et soyez patient, la science progresse chaque jour
bon courage !

[invite2d1f76fb]

Merci d'avoir pris le temps... Cordialement

[mmanu_F]

L'espace temps se déforme (expansion, ondes gravitationnelles) et le vide quantique donne naissance à des particules (m=E/C² --> LHC ...). C'est un fait. Malgré les outils mathématiques qui diffèrent et le fait que l'unification n'ait pas encore été réalisé je ne peux pas m'imaginer que le vide de l'infiniment grand ne soit pas le même que celui de l'infiniment petit.

Voilà donc mes questions avec mes excuses pour les puristes :
-> Les quarks ne pourraient-ils pas être des zones de crispation, voir de rétraction du vide ?
-> L'énergie de la masse pourrait-elle être de l'énergie d'expansion prise au vide ?
-> L'onde électromagnétique pourrait-elle être imaginée comme de l'énergie d'expansion rendu au vide par la matière ?
-> Le trio de quarks ne pourrait-il pas générer des ondes avec aux points de condensation de crête ondulatoire, l'électron ?
-> La nature profonde de la gravité ne peut-elle pas être imaginé comme la combinaison d'une déformation mais aussi le fruit d'une tension exercé par l'expansion du vide contrariée par la masse. (L’image: tendre deux draps à plat l'un contre l'autre, glisser deux balles entre les deux draps, puis tendre fortement les draps: les balles sont poussées l'une vers l'autre...)
-> Si l'univers était exempt de matière il serait pour ainsi dire vide. Il n'existerait alors qu'un seul référentiel. Comment parler d'espace-temps dans cette condition ? Le temps ne pourrait-il pas être le fruit physique de la désynchronisation de la matière vis à vis de ce référentiel que serait l'univers vide ? La densité du temps pour un objet de masse m serait inversement proportionnelle à la quantité d'énergie prise au vide (masse et inertielle).
-> La dernière question ! Le vide ne serait-il pas comme une bâche de piscine froissée qui se déploie petit à petit à la surface de l'eau en dénouant les plis un à un ?

Salut,

effectivement, ta liste de question est un joli meli-melo... Ton point de départ est cependant intéressant : il n'y a qu'un seul vide. Il doit être le même quel que soit le point de vue. Qu'il soit vu au travers des 3 interactions fondamentales du modèle standard ou vu par la gravité, les deux descriptions doivent être cohérentes.

Essayons d'expliquer un peu mieux la nature du problème en étant le plus prudent possible dans le choix des termes et en leur donnant une définition suffisament précise. Il nous faut d'abord voir ce qui se cache derrière ce que tu appelles "l'energie d'expansion". Ca va nous permettre de nous rassurer un peu en passant, pour ce qui nous concerne ici, les outils mathématiques qui décrivent la gravité et le modèle standard ne sont pas si différents que ça. L'objet central dans les deux cas à la dimension physique d'une densité d'énergie (une énergie sur un volume), on l'appelle la densité lagrangienne ou simplement le Lagrangien. L'objet mathématique en lui même n'est pas nouveau, il date de Joseph-Louis Lagrange vers la fin du 18ième. Le Lagrangien quii décrit la dynamique de la gravité (relativité générale) et des 3 autres interactions (modèle standard) ressemble à ça :

Le Lagrangien est le morceau entre les "crochets carrés", le reste de la première ligne ne nous intéresse pas particulièrement mais permet de se rendre compte que l'utilisation du Lagrangien a changé légèrement depuis Joseph-Louis, elle prend en compte les principes quantiques et relativistes. Comme indiqué, la gravité est encodée par le premier terme "R". On doit noter en passant que la "racine carrée de -g" juste avant le crochet est aussi lié à la gravité et c'est même elle qui va jouer le rôle majeur dans notre analyse du "vide". Le deuxième terme avec un "F.F" décrit les bosons : photons, gluons, W et Z. Les deux suivants, les fermions : électrons, neutrinos, quarks (et leur interaction avec les bosons du premier groupe caché dans le "D" et le boson du dernier groupe). Les deux derniers, le boson de Higgs (et son interaction avec les autres bosons dans le "D" aussi).

On a ainsi un visuel un peu plus précis de la manière dont les physiciens "mélangent" la gravité avec les quarks, les électrons et les ondes électromagnétiques dont tu parles dans tes questions. Et la chose importante à retenir est vraiment très simple : il suffit de faire une addition ! Les maths de l'unification ne sont pas si compliqué en définitive, il suffit de faire la somme des différents "protagonistes" (gravité, électrons, quarks, photons) représentés par des objets mathématiques (des fonctions) qui ont la dimension physique d'une densité d'énergie (lagrangienne) ! Bien entendu le diable se cache dans les détails et l'unification s'avère plus ardue que cette image naïve, mais pour ce qui nous concerne, l'addition est le seul outil mathématique qu'il faut maîtriser.

Le lien entre tout ces acteurs est ainsi défini et permettra, ou ne permettra pas, de donner du sens à des termes comme "zones de crispation", "rétractation", "énergie prise/rendue au vide", "ondes générées", "condensat de crête", "déformation/tension", "désynchronisation", "densité du temps" et "plis de bâche de piscine" , que tu utilises dans tes questions (ce qui rend difficile toute tentative de réponse, puisque on ne sait pas exactement ce que tu caches derrière ces termes).

Bien, où est le vide dans toute cette histoire ? Nous y sommes presque. Il se cache derrière un mécanisme dont tu as certainement entendu parlé : c'est celui de brisure spontanée de symétrie. Par exemple le boson de Higgs a un rôle central à jouer dans la brisure de la symétrie électrofaible. Redonnons vite fait quelques détails. (Le paragraphe qui vient peut être zappé par ceux qui sont au clair avec le concept.)

L'interaction électromagnétique et l'interaction faible (responsable de la désintégration radioactive) décrivent des phénomènes distincts dans notre vie de tous les jours. Cette vie de tous les jours est caractérisée du point de vue de la physique (encodée dans le Lagrangien) par une certaine densité d'énergie qui n'est pas très élevée. Pas très élevée par rapport à quoi ? Par rapport à la densité d'énergie lors d'une collision de proton au LHC ou par rapport à la densité d'énergie de l'univers quand il était petit. On sait cependant que cette distinction entre les deux interactions n'est pas universelle. Passé une certaine densité d'énergie, les deux n'apparaissent plus qu'une, elles sont unifiées, elles sont liées par symétrie. Cette symétrie n'est pas du même type que les symétries habituelles, associées aux changements de notre point de vue dans l'espace et le temps (symétrie par translation, par rotation), mais à notre changement de point de vue concernant l'identité des particules élementaires. Il existe une certaine densité d'énergie au-dessus de laquelle la distinction entre électron et neutrino, par exemple, n'est plus aussi clair. N'importe quelle superposition (c'est une symétrie à la sauce quantique) d'un électron et d'un neutrino fait aussi bien l'affaire qu'une autre. On pourrait dire qu'un couple électron-neutrino est symétrique par "rotation d'identité". En racontant l'histoire dans l'autre sens, la symétrie qui est présente entre l'interaction faible et l'interaction électromagnétique pour les grandes densité d'énergie est brisée par le Higgs, si bien qu'elles paraissent distinctes au densité d'énergie plus faible de la vie de tous les jours.

Bien, nous y voilà ! Quel est l'impact d'une brisure de symétrie sur le Lagrangien de la théorie-du-presque-tout ? En plus de faire ce qu'elle a à faire comme donner des masses et des charges à telle ou telle particule (mathématiquement il s'agit essentiellement d'un changement de variables, le "Phi" dans les deux derniers termes), elle va fait apparaitre un nouveau terme dans la somme des densités d'énergie, un terme constant. Si l'on s'en tient à l'interaction électrofaible, cette constante n'a aucune importance. Comme en physique classique, l'énergie est toujours définie à une constante près, relativement à une certaine référence arbitraire. Physiquement, la seul chose qui compte ce sont les différences d'énergie, qu'importe la référence, qu'importe la position du zéro sur l'axe des énergies. Dans le monde quantique, la conclusion est la même, les observables (amplitudes de diffusion, propagateurs) ne changent pas si on ajoute un terme constant dans le Lagrangien. Il n'a pas de conséquence physique et on peut le jetter à la poubelle. Cette constante est bien entendu un petit morceau de ce que l'on connait sous le nom (de densité) d'énergie du vide ! Je dis un morceau parce qu'il y a d'autres brisures de symétrie à prendre en compte, la brisure de la symétrie chirale notamment, qui est celle qui va réellement donner sa masse à la matière, car c'est elle qui donne leur masse aux protons et aux neutrons à partir des quarks très légers. D'autres brisures de symmétrie sont attenduent à plus haute énergie et elles sont la raison principale pour laquelle on continue à faire tourner le LHC alors qu'on a fini de découvrir tous les acteurs du modèle standard.

Toute cette histoire est OK si on ne prend pas en compte la gravité. Parce que la gravité est spéciale, très spéciale, elle en sait beaucoup trop ! Je m'explique. Le champ électromagnétique "sait" tout des particules chargées électriquement. Le champ nucléaire "fort" sait tout des particules portant des charges "colorées". Et le champ gravitationnel ? Il sait tout sur tout le monde, ou pour être vraiment précis, sur tout ce qui porte énergie ou impulsion ! Comment le sait-il ? Il suffit de regarder notre Lagrangien (entre crochet là-haut) et de se souvenir de ce que j'avais dit lors des présentations : tout les terme dans le Lagrangien sont multiplié par la racine carrée de -g et la lettre "g" n'a pas été choisie par hasard ! Fais apparaitre un terme constant dans les crochets, il sera multiplié par la racine de g, il sera couplé à la gravité, la gravité sentira sa présence, du point de vue de la gravité elle a une réalité physique et on ne peut plus du tout la glisser sous le tapis comme on l'avait fait dans le paragraphe précédent. D'ailleurs on l'a mesurée il y a une 15aine d'année, je vais y revenir.

Mais avant tout, je veux redonner la conclusion de cette histoire de manière légèrement différente pour voir la simplicité des maths impliqués dans le passage du "vide" de la physique des particules au "vide" de la gravité. La physique des particules fait apparaitre des constantes dans le Lagrangien sous l'effet des brisures de symétrie. Pour le Higgs, la constante apparaît suite à la redéfinition du dernier terme (la densité d'énergie potentielle du Higgs qu'il a créé par interaction avec lui-même) : "V(Phi)" devient typiquement "V(Higgs) + Constante". Cette constante n'a pas de conséquences physiques si on ne s'intéresse qu'au modèle standard (en négligeant la gravité), mais c'est une constante et, de fait, elle sera toujours là si on met tous nos champs à zéro (Higgs, électron, photons, etc), elle est toujours là dans le vide, elle est l(a densité d)'énergie du vide de la physique des particules. Le terme associé à la gravité se trouve tout au début du Lagrangien et comme nous avons à faire à une somme toute bête de terme, les règles de l'addition de la maternelle s'applique ici, l'addition est commtative et on peut déplacer sans craintes le terme constant vers la gauche pour le mettre à côté du terme gravitationnel. Si on se focalise maintenant sur cette partie purement gravitationnelle du Lagrangien (on fait le vide en mettant tous les champs à zéro), qui ressemble maintenant à "R - Constante" et qu'on utilise le Lagrangien comme on le faisait déjà à l'époque de Joseph-Louis, c'est-à-dire en invoquant le principe de moindre action, on retombe bien sûr la relativité générale et ses équations d'Einstein décrivant la dynamique de l'espace-temps vide, avec notre Constante dans le rôle de la célèbre constante cosmologique ! Le vide de la physique des particules est le même que le vide de la gravité parce que l'addition commute !

Il semble donc n'y avoir aucun problème. Et cependant, derrière cette apparente simplicité se cache le plus vexant des problèmes (ou l'un des plus vexant pour les physiciens les plus susceptibles) de la physique. Si on se place dans l'hypothèse la plus optimiste pour laquel il n'y a pas, aux énergies plus grandes, d'autres brisures de symétrie que celles déjà observées et évoquées plus haut (électrofaible et chirale), la densité d'énergie prédite par le modèle standard sera de l'ordre de 10 à la puissance 60 pour une valeur mesurée de l'ordre de ... 1 ! Notre prédiction est dans les choux de 60 ordres de grandeur ! Dans le pire des cas, avec des brisures de symétrie jusqu'à l'échelle de Planck, on peut monter jusqu'à une erreur de 120 ordres de grandeur ! C'est embarrassant.

Bon. Il faudrait maintenant décortiquer les différentes tentatives pour résoudre le problème. Il y a beaucoup à raconter et je préfère faire une pause ici et te rendre la main. Peut-être que toute cette introduction t'auras inspiré ...

Je finis par quelques élements bibliographiques et des discussions sur futura sur des sujets reliés.

• L'essentiel de cette présentation du problème est tirée du livre de Anthony Zee : Quantum Field Theory in a nutshell
• La discussion sur la symétrie à la sauce quantique est plus détaillée dans le livre de Steven Weinberg : Dreams of a final theory
• Un problème équivalent et quelques élements concernant la solution anthropique : ici
• Une discussion qui gravite autour d'une version dynamique de la constante cosmologique (quintessence) : ici

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite2d1f76fb]

Un immense merci !!!! Je n'étais pas revenu sur le forum après la première réponse...
Merci très sincèrement pour cette réponse constructive et en particulier les conseils en bibliographie.

Tout d’abord, je parle de la même énergie. Les chiffres que j’avais en tête étaient 10e-13 J/cm3 observé pour l’énergie d’expansion accélérée de l’univers et pour le vide quantique 10e107 J/cm3. Parallèlement, je pense comprendre le principe de la brisure de symétrie et notamment via l'exemple de la répartition de la matière aujourd'hui vis à vis de l'antimatière.

Je vais m’efforcer de choisir le mieux possible les mots employés et d’être moins méli-mélo. Je commence par la question suivante qui certes maladroite ne vous fera pas hurler je l'espère.

J’ai d’un coté un vide en expansion accéléré auquel il peut être associé une énergie (constante cosmologique).
J’observe la masse perdue lors de la fusion de deux trous noirs sous la forme de diffusion d’ondes gravitationnelles. Que devient l’énergie d’une onde gravitationnelle au-delà de notre univers visible ?

De l’autre, j’observe la masse perdue lors de la fusion ou de la fission de noyaux d’atomes sous la forme d’ondes électromagnétiques. Même question donc : Que deviennent ces ondes électromagnétiques (en incluant le décalage vers le rouge et sans croiser de matière) après être radio fréquence ?

La question sous-jacente est de savoir si l’énergie de la masse perdue lors de la fusion d’objet super massifs ou de noyaux d’atomes peut au final se fondre dans le "vide" ?

Avec mes très sincères remerciements.

[mmanu_F]

salut,

juste un petit message pour te dire que je n'ai pas oublié tes questions. elles nécessitent de revenir un peu sur ce qui se cache derrière la conservation de l'énergie en relativité générale et je voudrais essayer de donner quelques détails sur le thème.

J'en profite pour te signaler que l'asymétrie matière/antimatière n'est pas le résultat direct d'une brisure spontannée de symétrie (dans le sens où j'en parle dans mon précédent message). Elle peut être reliée à la brisure de la symétrie électrofaible (à la Kuzmin-Rubakov-Shaposhnikov) ou à la brisure de la supersymétrie (mécanisme de Affleck-Dine) mais pas de manière directe.

Je me rends compte que je n'ai pas été assez prudent dans mon message précédent, je n'ai pas écrit systématiquement que je parlais de brisures spontanées de symétrie (j'ai été paresseux, pardon). Lors d'une brisure spontanée de symétrie les lois (le Lagrangien) qui décrivent le phénomène sont invariantes mais pas les solutions (l'état du vide). L'asymétrie matière/antimatière est plutôt un exemple de brisure explicite de symétrie, la symétrie est brisée par les lois, comme par exemple de manière générique dans les théorie de grande unification.

[invite2d1f76fb]

Non ! C'est à moi de bosser pour bien comprendre. Je ne savais pas que c'était différent avec le kaon neutre. Je comprends ton explication. Je te suis vraiment reconnaissant de prendre le temps de m'apporter tous ces éléments de compréhension.