Big Bang

[BACHIR2023]

BONSOIR
j'ai une question à propos du Big bang, c'est pour cette raison que j'ai ouvert cette discussion


Qu'est qui a explosé lors du Big Bang?
j'ai cherché des réponses. j'en trouve une qui dit, que ce sont les fluctuations du vide qui ont engendré l'espace- temps.
Les fluctuations quantique du vide obéissent aux lois de mécanique quantique. maintenant est ce que ces lois étaient actives à cet instant là? d'autre part si ce sont ces fluctuations qui sont à l'origine de l'espace-temps. Cela veut dire que cet espace-temps peut donc être vu comme une sorte de mousse quantique qui existe depuis toujours. Ce vide est donc responsable de tout le contenu matériel de l'Univers. De plus même l'accélération de l'expansion de l'Univers sous l’effet d’une force répulsive cela pourrait venir aussi du vide.
qu'en pensez vous?
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[ArchoZaure]

Bonjour.

Qu'est qui a explosé lors du Big Bang?

Comme dirait René Magritte, le Grand Boum n'est pas une explosion.

Le Big Bang n’est pas une explosion, il ne s’est pas produit « quelque part »

Le Big Bang ne s’est pas produit en un point d’où aurait été éjectée la matière qui forme aujourd’hui les galaxies, contrairement à ce que son nom suggère et à ce que l’imagerie populaire véhicule souvent¹⁵. À l’« époque » du Big Bang, les conditions qui régnaient « partout » dans l’Univers (du moins la région de l’Univers observable) étaient identiques. Il est par contre vrai que les éléments de matière s’éloignaient alors très rapidement les uns des autres, du fait de l’expansion de l'Univers. Le terme de Big Bang renvoie donc à la violence de ce mouvement d’expansion, mais pas à un « lieu » privilégié. En particulier il n’y a pas de « centre » du Big Bang ou de direction privilégiée dans laquelle il nous faudrait observer pour le voir. C’est l’observation des régions lointaines de l’Univers (quelle que soit leur direction) qui nous permet de voir l’Univers tel qu’il était par le passé (car la lumière voyageant à une vitesse finie, elle nous fait voir des objets lointains tels qu’ils étaient à une époque reculée, leur état actuel nous étant d’ailleurs inaccessible) et donc de nous rapprocher de cette époque. Ce qu’il nous est donné de voir aujourd’hui n’est pas l’époque du Big Bang lui-même, mais le fond diffus cosmologique, sorte d’écho lumineux de cette phase chaude de l’histoire de l’Univers. Ce rayonnement est essentiellement uniforme quelle que soit la direction dans laquelle on l’observe, ce qui indique que le Big Bang s’est produit de façon extrêmement homogène dans les régions qu’il nous est possible d’observer. La raison pour laquelle il n’est pas possible de voir jusqu’au Big Bang est que l’Univers primordial est opaque au rayonnement du fait de sa densité élevée, de même qu’il n’est pas possible de voir directement le centre du Soleil et que l’on ne peut observer que sa surface. Voir l’article fond diffus cosmologique pour plus de détails.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

j'ai cherché des réponses. j'en trouve une qui dit, que ce sont les fluctuations du vide qui ont engendré l'espace- temps.

L'espace-temps est un concept mathématique.
Je ne pense pas qu'un phénomène physique puisse produire un concept mathématique.

Les fluctuations quantique du vide obéissent aux lois de mécanique quantique. maintenant est ce que ces lois étaient actives à cet instant là?

Là on est déjà plus dans le concret.
Donc on parle du vide quantique.
Le problème si vous voulez c'est qu'on n'est sûr de rien si on ne se base que sur des suppositions théoriques.
Actuellement on en est encore à se demander si l'antimatière réagit comme la matière à la gravité, et il y a certainement encore plein de sujets qui nécessiteraient vérification.
Or ce sont des donnés "hors théories".
Si un super-génie se basait sur les théories actuelles pour vous fournir des réponses, à coup sûr il se tromperait.
Ou alors c'est qu'on possèderai le Graal de la théorie, et la réponse finale à tout ce qui est pourrait être déduite par ce super-génie.
Ce serait prétentieux je pense.

d'autre part si ce sont ces fluctuations qui sont à l'origine de l'espace-temps. Cela veut dire que cet espace-temps peut donc être vu comme une sorte de mousse quantique qui existe depuis toujours. Ce vide est donc responsable de tout le contenu matériel de l'Univers. De plus même l'accélération de l'expansion de l'Univers sous l’effet d’une force répulsive cela pourrait venir aussi du vide.
qu'en pensez vous?

J'en pense qu'on ne peut pas répondre à cette question dans l'état actuel de nos connaissances.

[BACHIR2023]

L'espace-temps est un concept mathématique. Je ne pense pas qu'un phénomène physique puisse produire un concept mathématique.

Bien au contraire, l'espace-temps est un objet physique dynamique, doté de propriétés intrinsèques, telle la courbure, il a une histoire aussi.
a+

[ArchoZaure]

Bien au contraire, l'espace-temps est un objet physique dynamique, doté de propriétés intrinsèques, telle la courbure, il a une histoire aussi.
a+

Non je ne le pense pas.
C'est un objet physique théorique MAIS il ne peut RIEN ENGENDRER.
C'est pas réel.

En physique, l'espace-temps est une représentation mathématique de l'espace et du temps comme deux notions inséparables et s'influençant l'une l'autre. En réalité, ce sont deux versions (vues sous un angle différent) d'une même entité.^{[réf. nécessaire]}

https://fr.wikipedia.org/wiki/Espace...9f%C3%A9rences

C'est comme si vous parliez du vecteur force d'attraction, c'est un objet mathématique représentant un certain type de phénomène.
Vous ne pouvez pas inventer un système réel qui irait jouer sur le vecteur, puisqu'il n'est qu'une représentation.
Si vous voulez faire bouger votre vecteur, il faut agir sur le phénomène lui-même dont est issu le vecteur, pas sur sa représentation.
C'est ça la différence à mon sens entre un objet physique réel, et une représentation de l'objet physique, la mathématique.
Confondre les deux c'est la porte ouverte aux rêveries infinies.

Donc pour dire votre phrase autrement (même si ce n'est pas parfait non plus).
"ce sont les fluctuations du vide qui ont engendré le phénomène dont est issu notre représentation que nous appelons espace- temps."

C'est d'autant plus vrai que si demain nous inventons une nouvelle représentation à l'aide des cordes, notre univers continuerait à présenter très exactement le même phénomène, qui avait auparavant été représenté par l'espace-temps de la relativité générale et avant par l'espace et le temps de Newton.
Vous voyez qui engendre qui.
Le phénomène engendre la possibilité de produire des représentations de celui-ci.
L'objet physique réel c'est le phénomène, l'objet physique théorique, c'est la représentation.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

BONSOIR
j'ai une question à propos du Big bang, c'est pour cette raison que j'ai ouvert cette discussion


Qu'est qui a explosé lors du Big Bang?
j'ai cherché des réponses. j'en trouve une qui dit, que ce sont les fluctuations du vide qui ont engendré l'espace- temps.
Les fluctuations quantique du vide obéissent aux lois de mécanique quantique. maintenant est ce que ces lois étaient actives à cet instant là? d'autre part si ce sont ces fluctuations qui sont à l'origine de l'espace-temps. Cela veut dire que cet espace-temps peut donc être vu comme une sorte de mousse quantique qui existe depuis toujours. Ce vide est donc responsable de tout le contenu matériel de l'Univers. De plus même l'accélération de l'expansion de l'Univers sous l’effet d’une force répulsive cela pourrait venir aussi du vide.
qu'en pensez vous?

Pour comprendre ça, il va falloir déjà faire un gros détours conceptuel sur la notion de vide quantique. Le vide a priori, c'est rien. On l'assimile au néant. Or le néant est un mot qui désigne en fait ce qui n'existe pas. C'est un concept métaphysique, tout entier contenu dans sa définition: ce n'est rien. De ce seul fait, c'est à dire par définition, penser que le néant existe est dépourvu de sens. Ce serait comme dire que le pôle Nord est au Sud. La Physique, la philosophie naturelle autrement dit, se préoccupe de décrire la Nature, de ce qui "est". Elle n'utilise donc pas ce concept. Quand on parle du vide, il ne s'agit pas du néant.

Mais le piquant de l'histoire, c'est que les deux branches maîtresses qui nous permettent d'appréhender la Nature à ses niveaux les plus fondamentaux, la relativité générale et la théorie quantique des champs (QFT pour quantum field theory), ont pour objets centraux les deux attributs que les primates visuels que nous sommes associent spontanément au néant. Bien que ce soit absurde quand on y réfléchit un tant soit peu, vu que le néant n'étant rien, il n'est pas représentable, si on demande néanmoins à tout un chacun de se représenter le néant en imagination, il visualisera probablement ça: un grand espace vide.

L'espace, le contenant géométrique, est ce que décrit la relativité générale. Donc la cadre classique qui nous permet de conceptualiser l'expansion de l'espace avec les équations de Friedmann. Et le vide, le contenu de cet espace, est ce que décrit la QFT. Le moins qu'on puisse dire c'est que les deux concepts, espace et vide, ne représentent donc par "rien". La révolution scientifique commencée au XXe siècle peut se résumer à ce dé-niaisement intellectuel. Là où il semblait impossible d'imaginer des structures, tout repose dessus, basé sur une physique théorique de très haute volée. Il faut au minimum un master pour commencer à en aborder les mystères autrement qu'avec des concepts vulgarisés.

Et le point nodal de l'histoire pour envisager l'origine de l'univers, c'est que l'espace et le vide entretiennent une dialectique serrée. Le vide possède un état fondamental dont l’énergie n'est pas nulle et cela engendre une pression négative qui à son tour est la cause d'une expansion de l'espace qui en retour augmente le volume du vide. Et le changement d'état du vide vers un niveau de moindre énergie représente un mécanisme par lequel on va pouvoir faire apparaître de la matière, donc passer d'une univers vide en inflation à un univers de matière et de rayonnement en expansion.


Vide et matière


Ce qu'on appelle la matière, c'est un vide qui n'est pas dans son état d'énergie minimal, c'est à dire un vide excité.


Ce qu'on appelle le vide c'est un ensemble de champs, un pour chaque particule élémentaire, à leur état d'énergie minimal. Même dans cet état minimal, le champ conserve une activité résiduelle qui produit des couples de particules qui se résorbent en un temps très court (d'autant plus court que la particule produite est massive). Le vide est une ruche vibrionnante qui produit de la matière à jet continu. Mais il s'agit d'une matière virtuelle, c'est-à-dire que ces particules ne peuvent pas interagir avec une particule réelle, un détecteur de particules par exemple ; elles produisent par contre un effet collectif qui joue un rôle important dans la théorie des champs quantiques.


L'énergie par unité de volume ρ, autrement dit la densité d'énergie du vide (en Joule/m3, par exemple), résulte d'une sommation sur les champs quantiques.


L'énergie E d'un champ en théorie quantique c'est :


E(n) = (n + 1/2)hν


avec
h la constante de Planck
ν (nu) la fréquence. Un ν donné représente un mode du champ. Pour une particule de masse m au repos, on a au minimum hv = mc², auquel il faut ajouter son énergie cinétique.
n = 0, 1, 2... le nombre de particules (réelles) du champ.


n>0 représente l'état excité, le champ génère de la matière
n=0 représente l'état d'énergie minimal du champ, cad le vide.
D'où l'énergie de point zéro du champ :


E(0) = hv/2

...qui n'est pas nulle.


Pour calculer l'énergie de vide, on intègre sur tous les modes des champs de toutes les particules (fermions, bosons) pour obtenir un total.


Et là, c'est le drame...


Même si on ne fait le calcul que sur une seule particule, par exemple le photon, l'intégrale donne une densité d'énergie de l'ordre de ρ ~ 10¹²⁰ fois la densité d'énergie mesurée. C'est ce qu'on appelle une catastrophe ultraviolette : en intégrant les modes de fréquences croissantes qui sont aussi les plus énergétiques (si on part des fréquences optiques, c'est quand on va vers les ultraviolets), l'intégrale diverge, c'est-à-dire que son résultat tend vers l'infini. Usuellement, on somme jusqu'à une fréquence dite de coupure, qu'il faut justifier physiquement. Or dans le cadre de la Physique actuelle, la fréquence de coupure c'est la fréquence de Planck, l'inverse du temps de Planck √(ħG/c⁵). On obtient comme résultat que la densité d'énergie du champ est de l'ordre de la densité de Planck, soit la masse de Planck √(ħc/G) fois c² divisé par le cube de la longueur de Planck √(ħG/c³). Ok, ce n'est pas infini. Mais c'est quand même extraordinairement élevé. Ou, pour le dire à l'inverse : notre vide apparaît extraordinairement peu énergétique par rapport à ce qu'il devrait être, si on se fie à la théorie quantique des champs. C'est le problème dit de la constante cosmologique. Sans doute le problème ouvert le plus brûlant de la physique actuelle.
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Pour ceux qui veulent approfondir :
Piste bleue: Science Etonnante - La plus grosse erreur de l'histoire de la physique
Piste rouge: The Quantum Vacuum and the Cosmological Constant Problem
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Mais bon...

Si on passe ça sous le tapis, l'idée est que "naturellement" on a une "énergie plancher" qui se déduit du formalisme fondamental la théorie quantique des champs. Comme il s'agit de l'état fondamental des champs, l'idée d'une "dilution" est sans objet. Cela signifierait que les lois de la physiques changent avec l'expansion.


Vide et expansion

Si je prends un système constitué très simplement d'un volume de vide et que j'augmente ce volume, en lui faisant subir une expansion, que se passe t'il ? J'ai crée un volume plus grand d'espace rempli de vide. Comme ce vide représente une certaine énergie par unité de volume, j'ai augmenté l'énergie de mon système.

Soit U l'énergie interne de mon système.

En thermodynamique, j'ai l'équation de conservation de l'énergie qui s'écrit comme ça, pour un système adiabatique (= qui n'échange pas de chaleur avec l'extérieur, ce qui est le cas de l'Univers) et isentropique (= dont le nombre moyen de particules par unité de volume ne change pas, ce qui est le cas du vide) :

dU = -pdV

dU est la variation de mon énergie interne
p est la pression
dV est la variation de volume

Très simplement, si j'ai un piston rempli de gaz sous pression et que je le laisse aller, son volume va augmenter (dV>0), et l'énergie interne va diminuer : une force travaille, et ce travail est fourni à l'extérieur, ce qui fait tourner le moteur de la Volvo, par exemple. Mais ici, il ne semble pas que l'Univers puisse faire tourner une Volvo. Il ne fournit de travail à personne. Ou alors... à lui même.

D'après ce qui précède :

dU = ρdV

d'où :

p = -ρ

Autrement dit l'augmentation de l'énergie interne est compensée par une pression négative, une tension autrement dit (l'exemple 1D d'une pression négative, c'est un élastique que l'on tend). C'est un truc plutôt bizarre, mais vrai, et qui se constate dans l'effet Casimir.

Bon, ça c'est ce que nous dit la théorie quantique des champs, au sujet du vide.

Que nous dit la relativité générale, au sujet de l'espace ? Que la gravité d'un fluide quelconque de densité d'énergie ρ et de pression p est :

g = ρ + 3p

On l'a vu plus haut : en relativité générale, la pression gravite, c'est-à-dire qu'elle doit être comptabilisée dans la somme des termes qui produisent une courbure de l'espace. Le chiffre 3 devant le terme p est lié comme on l'a vu aux 3 dimensions spatiales.

Comme p est négative et égale à -ρ, ρ+3p nous donne -2ρ, une quantité incontestablement négative. On devrait plutôt l'appeler tension du vide. Et ça implique une gravité répulsive. Sous l'effet d'un tel fluide en tension, la croissance de la métrique est du genre :

a(t) ~ a₀.exp(Ht)

avec H = √Λ/3
avec Λ la cte cosmo

C'est le premier miracle de la Physique : le vide engendre une pression négative qui elle-même engendre l'expansion, ce qui nous manquait cruellement dans la théorie classique.

Bon, maintenant on pourrait se dire ok, le vide rentre en expansion, mais quand même... On a dit que la création de vide est "compensée" par la tension, la pression négative. Seulement, non, ici ça ne marche pas : cette tension ne travaille pas, vu que l'univers est un système isolé. Il ne fournit de l'énergie à personne, et on viole allègrement le Premier Principe de thermodynamique dans cette histoire : l'énergie n'est pas conservée, elle ne fait que croître ! Et c'est la connexion avec la relativité générale qui permet le second miracle de la Physique : tout se fait à bilan d'énergie nul.

Cela fait intervenir l'idée que l'énergie d'un champ gravitationnel a une valeur négative, susceptible de compenser cette création d'énergie. Cette valeur négative de l'énergie gravitationnelle n'est pas un concept récent : c'est déjà classiquement vrai dans le cadre newtonien. La gravité est une force de liaison. Deux masses liées par une force ont moins d'énergie potentielle que deux masses libres. Cela signifie que pour les délier il va falloir leur fournir du mouvement. Si on se représente deux masses situées à l'infini l'une de l'autre, leur énergie est nulle. Elles tombent l'une vers l'autre : leur énergie cinétique augmente ce qui est compensé par une énergie potentielle gravitationnelle négative, et la valeur totale de leur énergie mécanique reste nulle.

La valeur de l'énergie gravitationnelle dans le cadre de la relativité générale n'est pas un calcul simple, mais dans le cadre du scénario inflationnaire, on peut effectuer ce calcul avec une rigueur suffisante, et le bilan est nul.

Si on rassemble toutes nos billes, on obtient donc le scénario suivant : on postule que l'état d'énergie typique du vide est très élevé, en se basant sur les résultat de la QFT. De façon qu'on n'explique pas encore, mais qui se constate simplement du fait que notre univers est tel qu'il est, il existe un état du vide de basse énergie. La thermodynamique classique permet donc de prédire que ce vide énergétique va décroître spontanément pour rejoindre le point bas. Avant et durant cette chute, l'univers est en inflation, et un volume élémentaire de vide de dimension subatomique (disons 10⁻²⁸ cm) va atteindre une taille centimétrique, c-à-d une croissance d'un facteur e¹⁰⁰ environ, en une durée plus que brève, de l'ordre de 10⁻³² s. Si on donne à la densité d'énergie initiale la valeur d'énergie dite de Grande Unification (GUT), de l'ordre de (10¹⁶ GeV)⁴ alors la bille d'univers qui sort de l'inflation est remplie d'un plasma dont l'énergie totale est suffisante pour donner naissance à toute la matière (baryonique et noire) et tout le rayonnement de l'Univers (observable).

Le vide initial a changé de phase, et converti son énergie en matière et rayonnement. La pression qui était fortement négative est devenue fortement positive, le taux d'expansion de l'espace est maintenant freiné par son contenu. On raccroche ainsi les wagons avec un Big Bang chaud classique, mais on a désormais une idée de ce qui aurait pu faire "bang".

Et cet "avant Big Bang", qui a fait bang en changeant localement d'état vers un état de moindre énergie (relisez comme c'est bizarre ), prend place dans une immensité en inflation, à des taux variables de place en place, et des considérations assez simples indiquent qu'une fois que inflation est lancée, elle subsiste perpétuellement en quelque endroit du Multiver. Chaque petit voxel d'espace, gorgé d'énergie, a une probabilité élevée de s'effondrer en un état de moindre énergie, mais il produit tellement de nouveaux voxels en chaque instant que le processus ne peut s'interrompre partout. De sorte que ces quelques endroits où l'inflation subsistent représentent une fraction comparée à laquelle tous les univers, où le vide s'est éteint pour donner des endroits potentiellement habitables, ne représentent qu'un point dans une immensité saisie d'une frénésie irrépressible de croissance.