Univers en expansion, univers cyclique, conservation de masse

[Upasaka]

Bonjour


C'est mon premier sujet et ma première question. Et je ne suis pas du tout un expert en physique ou chimie ou astrophysique, mon "truc" c'est plutôt l'Histoire et les Religions, ce qui inclue l'histoire des sciences et les mythes. Donc merci d'être indulgent si je dis quelque chose de stupide ou confus. Et si vous voulez bien me répondre merci de ne pas employer trop de jargon technique ou complexe vu mes connaissance limitées. Je suis un buse en mathématiques notamment. Sauf le niveau minima collège évidemment.



D'après ce que j'ai compris on a eu par le passé des conceptions de l'univers cycliques et l'hypothèse du Big-Bang/Big-Crush. Donc expansion, atteinte d'un point maximal d'expansion, puis contraction jusqu’à un point puis de nouveau Big Bang, peut-être. Ce qui colle avec l'hypothèse d'un univers cyclique.



Hors d'après ce que j'en sais (mais là encore je ne me tiens pas au courant de tout), nos observations astronomiques nous disent que non seulement l'expansion de l'univers ne ralentie pas mais s'accélère.


Il y a, je crois, plusieurs hypothèses sur ce qui peu se passer si l'accélération continue. Non ?


Cette accélération que nous observons peut-elle être passagère ? Nous n'observons pas le ciel avec des outils assez puissants depuis assez longtemps pour être certain que cette expansion n'est pas un épisode passager si ?


Ce qu'a exprimer Lavoisier et bien avant lui le philosophe présocratique Anaxagore c'est la conservation de la masse lors des transformations (au moins chimiques). Et jusqu'a preuve du contraire l'Univers de la plus grande à la plus petite échelle connues est en changement permanent (par exemple la fameuse accélération mentionnée plus haut).


N'est-il pas plus logique au nom du principe de conservation de masse de considérer que cet univers çi, un jour, subira une transformation, et que toute sa masse (qui ne peut se perdre semble t-il), sera de nouveau convertie en un autre univers, ce qui va dans le sens d'une conception cyclique ?


Est ce que je suis clair ?
Pas sûre.


Pour faire simple est ce que la conception cyclique n'est pas la seule possible en raison du principe de conservation de masse ?


A moins qu'on aboutisse un jour à un univers totalement dénué du moindre mouvement ou changement, est ce d'ailleurs crédible ?


Ça fait beaucoup de questions mais je ne sais pas trop comment mieux résumé.


Suis je compréhensible ?


Merci

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[mach3]

La conservation de la masse (la masse au sens de la relativité d'Einstein) est conditionnée par la conservation de l'énergie et de l'impulsion. Localement ces deux dernières se conservent, mais à l'échelle globale (celle où l'expansion est significative, celle où l'univers peut-être considéré homogène et isotrope), il n'y a pas de conservation de l'énergie, donc pas de conservation de la masse (attention ça ne veut pas dire qu'elle peut devenir nulle en revanche).

Ensuite il n'y a pas de lien a priori entre conservation de la masse et cyclicité de l'univers.

Les observations actuelles laissent penser que l'expansion pourrait être éternelle. Il y a cependant un paquet de théories (qu'on ne peut pas valider fautes d'observations pour l'instant), qui prédisent chacune un destin différent pour l'univers, certaines sont cycliques (avec ou sans big crunch), d'autres prédisent une expansion éternelle, avec différents rythmes (du ralentissement asymptotique à l'emballement, le big rip). Si Gilgamesh passe par ici, il pourra certainement en dire beaucoup plus.

m@ch3

[Upasaka]

C'est déjà assez compliqué pour moi mais merci pour la réponse. Vais réfléchir à cela.
Prendre Gilgamesh comme pseudo c'est tout un programme

[Gilgamesh]

Ca va encore un peu se compliquer, je crois, mais tiens la rampe.

Dans tout ce qui suit, la lettre a désigne le facteur d'échelle, c'est à dire grosso modo, la "taille de l'univers".

Dans l'équation qui détermine le taux d'expansion de l'univers, il y a 4 composante qui déterminent par la manière dont leur densité est modifiée par l'expansion.

Pour chaque composante, on mesure son abondance dans l'univers actuel sous la forme d'un ratio noté Ω : Ω_m (m comme matière), Ω_r (r comme rayonnement), Ω_k (k comme courbure), Ω_Λ (Λ désigne la constante cosmologique). C'est le ratio de la densité de ce composant sur la densité critique. La densité critique c'est celle qu'il faut donner à l'univers pour que l'expansion tende vers zéro à l'infini. Si on dépasse cette densité critique, l'univers se recontracte, si on est en dessous, l'expansion continue ad vitam æternam.

D'abord on a donc la matière ("poussière" dans le jargon cosmologique), ou composante non-relativiste : l'ensemble du contenu énergétique dont l'énergie de masse au repos est grande par rapport à l'impulsion : mc2>>pc. On considère en général que pc ~ 0, cad que la composante de pression de la "poussière" est nulle. Ce fluide matériel peut encore être subdivisé en matière noire et baryonique, mais l'ensemble qu'elles forment évolue de la même façon avec le temps cosmique, à savoir qu'elles subissent une simple dilution volumique. La densité du gaz cosmique varie simplement en 1/a³.

Aujourd'hui on a Ω_m~0,24

Ensuite on a le rayonnement, ou composante relativiste : l'ensemble du contenu énergétique dont l'énergie de masse est négligeable devant l'impulsion pc>>mc2. Il s'agit pour l'essentiel des photons pour lesquels m=0, ainsi que des neutrinos dont la masse est très faible mais non nulle. La composante impulsionnelle implique une pression P qui s'exprime comme P=ρ/3. Pour cette composante, en plus de la dilution volumique, on a une décroissance linéaire de l'impulsion avec le facteur d'échelle de sorte que la densité d'énergie subit une décroissance plus forte d'un facteur puissance, soit en 1/a⁴. Prédominante dans le très jeune univers ("ère du rayonnement") cette composante est quasi éteinte aujourd'hui (mais encore observable avec le CMB !)

Aujourd'hui on a Ω_r~5.10^-5

Ces deux premiers ingrédients font donc appelle à de la physique très classique. Mais déjà, comme indiqué par Mach3, y'a un os sur le rayonnement : la quantité totale de rayonnement diminue ! Parce que si vous augmentez la taille de l'univers d'un facteur a=2, le volume est multiplié par 2³ et la densité de rayonnement est divisée par 2⁴ = 16. Au total, l'énergie radiative a donc été divisée par 2. Et cet effet est un pur effet de relativité générale.

Ensuite, en relativité général, la gravité est identifiée à la courbure et représente elle même une composante à laquelle on peut donner la dimension d'une densité d'énergie et qui influe sur la courbure elle même (autrement dit, la gravité gravite). Cette composante de courbure est en k/a², k étant un nombre entier : -1, 0 ou +1. Soit que k soit égal à 0 (courbure strictement nulle, mais ce serait étrange) soit que a soit très (très, très...) grand par rapport à la courbure initiale (hypothèse de l'inflation) toujours est il que ce terme est proche de zéro. Pas de contribution de courbure. L'univers est dit "euclidien" ou "plat". Cela exprime juste la géométrie des droites en son sein. Dans un univers plat, la géométrie d'Euclide s'applique, la somme des angles des triangles égale deux droits, etc.

Ω_k~0

Donc la courbure, c'est un terme étrange (c'est en fait la contribution de la gravité au bilan d'énergie), mais comme c'est zéro, et bien on s'en préoccupe pas dans le cas de notre univers.

Et pour finir, entre en scène la constante cosmologique notée usuellement Λ. Dans l'équation d'Einstein, on peut ajouter un terme dont la signification doit ensuite être traduite physiquement. Soit il s'agit d'une caractéristique intrinsèque de l'espace, soit ça correspond à la densité moyenne d'énergie du vide (énergie sombre). Dans cette dernière acceptation, plutôt en faveur des cosmologiste actuellement, la caractéristique principale de cette composante est d'avoir une équation d'état du type : P = -ρ où P désigne la pression et ρ la densité d'énergie.

Aujourd'hui, Ω_Λ~ 0,76

Et alors par rapport au bilan énergétique, ça se complique. Si on considère que les lois de la Physique sont invariables dans l'espace et dans le temps, ce qui semble raisonnable pour un bon bout d'espace pour un bon bout de temps, eh bien ça implique que le vide lui même est immuable dans ses propriété, donc que Λ est invariable (note : il existe des modèles dit de quintessence à Λ variable, mais va laisser ça de côté, dans le modèle standard Λ = cte). Donc, si le volume d'espace augmente avec l'expansion, de même son volume de vide, et si on multiplie ce volume avec la densité d'énergie, y a pas moyen d'échapper au fait que l'énergie totale contenue dans l'univers augmente.

Donc on a une double violation apparente de la conservation de l'énergie, l'une dans le sens d'une extinction (le rayonnement s'éteint) et l'autre dans le sens d'un accroissement (une vide énergétique en croissance indéfinie). Est ce que les deux se compensent ? Nullement. Même après avoir complètement éteint le rayonnement, l'expansion continuera ad vitam æternam.

Faut il alors abandonner le principe de conservation de l'énergie ? Non plus. Simplement, il faut considérer la gravité dans l'équation. Je serais plus à l'aise si je pouvais le démontrer, mais je reprend les conclusions d'Alan Guth (un des pères de la théorie de l'inflation), on peut démontrer que l'augmentation de l'énergie du vide est exactement compensée par le signe négatif que prend l'énergie gravitationnelle. En quelque sorte, la gravité est un genre de banque qui pourrait vous prêter de l'argent sans jamais se lasser, avec un solde débiteur illimité.

[A voir en vidéo sur Futura]