BigBang

[Edith]

Bonjour,

Ma question peut paraitre novice mais j’avoue n’être pas parvenue à trouver une réponse en cherchant sur internet.
Concernant la théorie du Big Bang, toutes les animations (télévisée, sur internet ou autres schémas) nous montrent une sorte « d’explosion » partant d’un centre et s’élargissant à la manière d’une sphère en expansion. Certains comparent ceci aussi de manière plus imagée, à une sorte de cake aux olives cuisant au four et gonflant sous l’effet de l’énergie de la chaleur, où les galaxies seraient ces olives, s’éloignant les unes des autres au fur et à mesure que le cake gonfle.

Je pense que cette « illustration » est certainement « simplifiée » afin d’aider un public profane à bien se représenter le phénomène.

Ce qui me perturbe, c’est que comme le Big Bang peut à priori s’observer, de peu importe le point de l’espace que l’on observe, cela rend impossible la représentation d’une sorte de cake ou d’une sorte de sphère, tous deux ayant un centre. Le phénomène du Big Bang n'ayant visiblement pas de centre.
La représentation d’une sorte de sphère en expansion ou d’une sorte de cake en expansion n'est pas correcte, ou peut être que je me trompe, merci alors de m'éclairer.
Ma question est donc la suivante, comment pourrions nous représenter le phénomène de manière plus pertinente si ce "phénomène" n'a pas de centre ?

Merci
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[pm42]

Concernant la théorie du Big Bang, toutes les animations (télévisée, sur internet ou autres schémas) nous montrent une sorte « d’explosion » partant d’un centre et s’élargissant à la manière d’une sphère en expansion.

Ce n'est pas ce qui s'est passé. On ne peut pas représenter le big-bang visuellement ceci dit.
Ce qui se passe, c'est que tout l'Univers se dilate et se refroidit. Ce n'est pas une explosion partant d'un centre.

Je pense que cette « illustration » est certainement « simplifiée » afin d’aider un public profane à bien se représenter le phénomène.

Exactement.

Ce qui me perturbe, c’est que comme le Big Bang peut à priori s’observer, de peu importe le point de l’espace que l’on observe, cela rend impossible la représentation d’une sorte de cake ou d’une sorte de sphère, tous deux ayant un centre. Le phénomène du Big Bang n'ayant visiblement pas de centre.

Oui, tu as très bien compris.

Ma question est donc la suivante, comment pourrions nous représenter le phénomène de manière plus pertinente si ce "phénomène" n'a pas de centre ?

Je ne sais pas. Il faudrait voir si quelque chose de mieux a été fait mais tout vulgarisation atteint vite ces limites : les humains ont l'habitude de penser dans un Univers classique eucliden mais pourtant fini.
Représenter un tout qui s'étend donc sans limites est très difficile.

P.S : on a le même problème en quantique où on a tendance à représenter encore les particules comme des billes, etc.

[Edith]

Merci pour votre réponse ! ��

[Gilgamesh]

Une façon de te représenter la chose, si ça peut t'aider: considère la pièce dans laquelle tu te tiens. Disons qu'elle fasse pour simplifier 10x10x10 mètres. Considère ce petit cube d'espace de 1000 m³. L'univers visible fait en compte rond 10⁸⁰ m³. Il contient donc 10⁷⁷ petits cubes semblables, de 1000 m³ chacun. Numérote les mentalement et suis-les du regard en remontant dans le temps. Tous ces cubes existent depuis le départ, ils faisaient déjà partie de l'univers à sa naissance, simplement ils ont grandit depuis. Au moment de l'émission de la première lumière, les distances étaient 1000 fois plus petites. Ton cube personnel de 10x10x10 m était déjà "là", simplement il ne faisait à l'époque que 1x1x1 cm et si on remonte encore plus avant dans le temps, il faut encore le rapetir.

Tu peux donc montrer du doigt le point où a commencé le Big Bang, et n'importe quel point de l'Univers convient.

[A voir en vidéo sur Futura]

[pachacamac]

Bonjour,

Le cake a un centre, soit mais celui-ci n'a aucun rôle dans l'expansion du cake absorbant de la chaleur.
Autour de chaque olive ou grain de raisin, le renflement de la pâte dans toutes les directions possibles simule assez bien l'expansion post BB me semble t'il.

[stefjm]

Un solution "facile" consiste à écrire l'équation de cette expansion et montrer qu'en faisant tendre le temps vers moins l'age de l'univers, aucun point n'est privilégié.

[Deedee81]

Salut,

On peut considérer l'univers de pacman (le jeu, ou d'autres jeux analogues) : quand on va tout droit on se retrouve à son point de départ. Les bords de l'écran étant conventionnel (un décalage de l'image ne change rien au jeu). La distance parcourue pour faire ce "tour" pouvant croitre.
C'est facile à visualiser et après reste à plonger le cake dans cet univers.

Je trouve que c'est un moyen fort simple de visualiser cette abstraction de "variété sans bord" très éloignée de notre quotidien. Et de plus quand on a réussi à faire un pas dans l'abstraction, la suite est plus simple (et même sans math ou encore mieux : les maths deviennent plus facile car les maths ce n'est que ça : de l'abstraction pure.)

Un solution "facile" consiste à écrire l'équation de cette expansion et montrer qu'en faisant tendre le temps vers moins l'age de l'univers, aucun point n'est privilégié.

Oui, c'est clair. Mais pour visualiser pour un profane ou le grand public, une équation c'est pas vraiment le top.

Bonjour Edith et bien venue sur Futura.

Notons qu'on pourrait tout aussi facilement construire des variétés avec bords et les équations qui vont avec, le choix des variétés sans bord découle en réalité du principe cosmologique qui colle à ce qu'on voit même si l'univers observable n'est qu'une partie de l'univers, probablement infime. Ca et une certaine "logique" (la bizarrerie des bords ).

Te question est novice (mais ce n'est bien sûr pas du tout un problème et illustre bien que tu raisonnes intelligemment. Félicitations
La vulgarisation est les images ont leur limite. Et comme la vulgarisation est souvent de qualité discutable (trop courte, ne précisant pas la signification précise de certains termes, n'expliquant pas les limites de certaines images) et donc cela donne des idées fausses. C'est dommage mais on doit vivre avec (les articles scientifiques passent par des commités de lecture.... mais la vulgarisation est libre, n'importe qui peut en faire).

Et pour marquer le coup et respecter le fait qu'ici on essaie d'être clair :
variété = en gros toute structure géométrique en math (espace ordinaire, cube, ruban de Möbius, espace-temps à N dimensions, etc... et des trucs plus techniques : espaces projectifs, espaces avec ultramétriques, espaces avec des mesures très spéciales, ou un truc qui m'en a fait baver avec la gravitation quantique à boucles : espace des distributions). On parle de variété métrique quand on définit une notions de distance entre les points et de variétés différentiables quand dans une petite zone la variété est "lisse".

Et évidemment en physique on fait correspondre les grandeurs réelles (mesurables) à des grandeurs mathématiques, et les objets "abstraits" deviennent alors des représentations (plus ou moins fidèles) de la réalité. C'est simple à dire comme ça mais ça peut être trèèèèèès compliqué, on s'en doute.

[Kiichi187]

Bonjour les amis, j'ai aussi des questions à vous poser à propos du big bang, les scientifiques nous présentent le big bang comme ce qui a engendré la naissance de l'univers : Vous avez sûrement entendu parler de la théorie du Big-Bang, qui décrit comment l’Univers est « né » d’un amas de matière très dense et très chaud il y a environ 13,7 milliards d’années. Une dilatation progressive, comme un ballon qu’on gonfle. https://sciencespourtous.univ-lyon1....artir-de-rien/

Donc ma question est si ya eu naissance de l'univers du au big bang, peut t-on en déduire que c'était le néant avant le big bang?

[papy-alain]

Bonjour les amis, j'ai aussi des questions à vous poser à propos du big bang, les scientifiques nous présentent le big bang comme ce qui a engendré la naissance de l'univers : Vous avez sûrement entendu parler de la théorie du Big-Bang, qui décrit comment l’Univers est « né » d’un amas de matière très dense et très chaud il y a environ 13,7 milliards d’années. Une dilatation progressive, comme un ballon qu’on gonfle. https://sciencespourtous.univ-lyon1....artir-de-rien/

Donc ma question est si ya eu naissance de l'univers du au big bang, peut t-on en déduire que c'était le néant avant le big bang?

Personne ne sait ce qui a déclenché le BB, et encore moins ce qu'il y avait avant. Et, à mon avis, on ne le saura jamais.

[Kiichi187]

Je ne parle pas de qui aurait déclenché le Big Bang mais ma question se porte sur est-ce qu'il yavait le néant avant le big Bang? Ou est-ce que cela est impossible et pourquoi?

[Lansberg]

Cette question amène obligatoirement à "l'inconfort intellectuel" ! Le néant est à réserver à la philosophie. Le bigbang marque le début du temps et de l'espace. Donc parler d'avant n'a pas de sens physique. Dans le premier modèle d'univers de Lemaître (vers 1927), le problème est contourné en renvoyant à -∞ la "naissance" de l'univers. C'est un univers sans singularité, ni début, dans un état statique avant l'expansion. La cause de l'expansion n'est pas précisée.
Aujourd'hui, la question de "l'avant" bigbang (qui n'est donc plus vraiment le début, puisqu'il y aurait une cause première) est contournée grâce à la théorie quantique des champs dans laquelle le vide est caractérisée par une énergie à partir de laquelle la matière peut apparaître. Les idées foisonnent comme la cosmologie cyclique conforme développée par Penrose (bien que différent, ça ressemble un peu à un des modèles de Friedmann-Lemaître des années 1920) où un univers "renaît" à la fin de l'histoire du précédent, une fois que tout a "disparu" en trous noirs. Des univers se succéderaient à l'infini. Pour d'autres cosmologistes, ce serait le même univers qui se répéterait encore et encore. Les théories d'univers parallèles et de multivers tentent aussi d'apporter des réponses sur "l'avant" bigbang. Ceci dit, valider une de ces théories s'annonce plus que difficile.

[Kiichi187]

Salut, l'inconfort intellectuel est une autre affaire, et pourquoi que la philosophie et pas les religions qui y ont leur réponses à apporter aussi, après on y croit ou non.
Donc partons du postulat que c'était bien le néant avant le big bang, ma question est la suivante : est-ce que quelque chose peut émerger du néant DE LUI MÊME?

[pm42]

Comme expliqué par Lansberg, le concept de néant n'est pas défini scientifiquement.
Donc ta question n'a pas de sens.

[Lansberg]

Donc partons du postulat que c'était bien le néant avant le big bang, ma question est la suivante : est-ce que quelque chose peut émerger du néant DE LUI MÊME?

Comme le dit pm42, le néant n'a pas de définition physique. Seules les religions et cosmogonies ont une réponse toute faite sur la création à partir du néant.
Il n'y a pas de théorie du rien pour le physicien et donc aucune réponse sur la possibilité de créer un univers à partir de rien. Par contre beaucoup d'hypothèses à partir du vide (quantique) qui n'est pas rien !

[Gilgamesh]

Le Big Bang est-il le commencement du temps, ou l’Univers existait-il avant ?


On lit souvent, et de la part de cosmologistes et de théoriciens tout à fait sérieux (Hawking...), que la question de l'avant Big Bang n'a tout simplement pas de sens, carrément, et qu'imaginer une époque antérieure au Big Bang, ce serait comme chercher un point au Nord du pôle Nord.

Et d'autre part, on lit des trucs, soutenus par des gens tout aussi sérieux (Susskind...), sur un Multivers d'où aurait surgit notre Univers.

À l'origine de l'idée que tout apparait avec le Big Bang il y a un fameux théorème sur les singularités, de Penrose et Hawking appliqué à l'Univers. Le théorème dit que dans le cadre de la relativité générale, si on prend un espace de courbure positive (dans lequel la gravité a le dessus), et en supposant que l’espace-temps ne contient pas de courbe de type temps fermée (= on ne peut pas revenir dans son passé) alors ça va finir en une singularité. C'est vrai pour un trou noir qui s'effondre ou pour l'Univers si on rembobine dans l'autre sens.

Or, qu'est ce qu'une singularité, formellement ? C'est l’existence de demi-géodésiques, c'est-à-dire de trajectoires spatio-temporelles dirigées vers le futur et qui s'interrompent dans le passé, c'est-à-dire qui surgissent d'un point d'espace-temps sans qu'on puisse définir un avant. Un peu comme les méridiens terrestres qui "surgissent" du pôle Nord.

Et comme c'est formellement démontré dans le cadre de la meilleure théorie de la gravité à notre disposition, ça semble faire autorité. D'où le mot de Hawking : demander ce qu'il y a avant le Big Bang c'est comme demander "Qu'y a-t-il au nord du pôle Nord?".

Sauf que ce qu'on appelle une singularité, c'est précisément le point d'arrêt de la théorie, l'échec de la théorie, le signal d'alarme qu'elle sort de son domaine de définition. Une singularité en math, c'est un point pas ou mal défini, comme le point d'intersection de la courbe d'equation 1/x avec l'axe des ordonnées.

D'où une position souvent plus prudente : la théorie du Big Bang N'EST PAS une théorie de l'origine, uniquement de ce qui se passe après l'origine, avec un petit côté : "Règle numéro 1 on ne parle pas du ̶F̶i̶g̶h̶t̶ ̶C̶l̶u̶b̶ de t = 0". On prend les conditions initiales, on applique les deux équations de Friedmann et ça marche nickel. Mais on ne discute pas des conditions initiales. Si on régresse à l'infini on aboutit au "Mur de Planck" à 10⁻⁴³ s comme horizon indépassable de la Physique, et il faudra attendre la gravité quantique pour en savoir un peu plus.

J'avoue, y a un côté "ignorabimus" qui m'agace un peu dans ce Mur de Planck. Je soupçonne que ça trimbale les débris métaphysiques d'une horreur sacrée à interroger l'Origine.

Bon mais même si on se cantonne aux conditions initiales, elles sont quand même bizarres.

On a un milieu dont la densité tend vers l'infini, tout le monde est d'accord avec ça. Et ce milieu est... en expansion Comment est ce possible ? Normalement quand c'est dense, ça s'effondre. Et si c'est vachement dense ça s'effondre vachement. Pour contrer cet effondrement, il faut ajouter à la main un taux d'expansion H qui tend lui-même vers infini. C'est quand même pas banal. C'est comme si on se trouvait sur une route en pente, quasi verticale, et qu'on voyait surgir du brouillard, venant d'en-dessous, un cycliste lancé pleine balle... et tous les freins serrés ! Oui, parce que dès qu'on applique les équations, le taux d'expansion ne peut que chuter, proportionnellement à la densité du milieu, qui est très élevée au départ.

Et puis, évidemment : mais d'où vient toute cette énergie ? Il y a quelque chose comme 10⁹⁰ particules dans l'univers, d'où viennent elles ? Comment sont elles apparues ? Des conditions initiales. Ok

On voit que, tant d'un point de vue formel (géodésique incomplète) que causal, la théorie est béante : elle ne dit strictement rien des origines.

Pour ce qui suit, je reprends au plus près les explication d'Alan Guth, qui sont d'une clarté admirable. C'est en écoutant ses cours au MIT que pour la première fois j'ai eu enfin le sentiment de comprendre vraiment le Big Bang : ce n'est pas la théorie d'un "Bang" mais celle des conséquences de l'extinction brutale et localisée d'un "Bang" universel et perpétuel, l'inflation.

Il a vulgarisé sa théorie ici (entre autre. Si on tape sur Alan Guth + inflation + multiverse il y'a plein de contenus en ligne).

Et il faut bien bien reconnaître qu'il y a un sérieux problème de vulgarisation avec cette théorie de l'inflation, même par des cosmologistes tout à fait sérieux. Dans la plupart des cas, on présente l'inflation comme un événement primordial de l'univers mais situé après le Big Bang. On a une singularité initiale, puis (on ne sait pourquoi) une inflation qui se déclenche, et qui cesse aussitôt. Le scénario semble assez bâclé. Si on prend le point de vue du fondateur de la théorie, c'est nettement plus clair : on commence avec l'inflation comme condition initiale de l'univers, puis on postule que dans cet espace en inflation a lieu un changement de phase local vers un état de basse énergie et ça donne le Big Bang. On se débarasse du même coup de la "singularité", du "début du temps" et de la "création d'énergie à partir de rien" et autre concept inintelligible.

Reprenons cette histoire de conditions initiales. Le premier obstacle comme on l'a vu concerne la gravité : on le sait tous, c'est une force purement attractive. Si on reste dans ce cadre, lorsque l'univers est plus petit, il est plus dense. La décroissance de H est donc plus rapide dans le jeune univers que maintenant. Donc il faut que sa valeur initiale soit très grande, et tout le monde connait le résultat : quand on annule la taille de l'univers, la fonction fort logiquement diverge et il faut donner à H une valeur initiale infinie pour obtenir la valeur actuelle. Or, le contenu énergétique classique, matière et rayonnement, est incapable de faire autre chose que freiner l'univers, c'est-à-dire diminuer H. C'est donc sans espoir de ce côté pour trouver un mécanisme qui serait susceptible de donner à H une valeur infinie, ou du moins très élevée. C'est ce qui fait dire que la théorie du Big Bang est une théorie "sans bang", le "bang" étant, dans l'idée, l'événement qui aurait donné cette valeur initiale très élevée de H.

D'aucuns pourraient se dire : ah mais oui, mais je sais, quand l'univers était tout petit et fortement comprimé, la pression était très élevée et, jouant contre la gravité, elle a propulsé l'univers dans toutes les directions ! D'où l'idée commune de se représenter le Big Bang comme une explosion. Mais ça ne marche pas. Un des ajouts majeurs de la théorie de la relativité générale à la théorie de la gravité newtonienne, c'est l'idée que la gravité est proportionnelle au quadri-moment impulsion-énergie. C'est un vecteur à quatre composantes : une composante énergie (liée à la coordonnée temporelle) et trois composantes d'impulsion (liées aux trois dimensions spatiales). Et cette triple composante impulsionnelle, ce flux de quantité de mouvement, c'est précisément ce qu'on appelle la pression. En relativité générale, la pression gravite, ce qui n'est pas du tout le cas avec Newton. Et ce qu'il advient, c'est que, certes, dans un milieu dense et chaud, comme le centre d'une étoile, la pression générée par l'agitation thermique s'oppose à l'effondrement, mais que subrepticement, en même temps qu'elle s'oppose à l'effondrement, la pression augmente la valeur du champ de gravité qui écrase l'étoile. Et que dépassé un seuil (élevé, et du reste pas facile à calculer précisément), le surcroît de gravité généré par la pression dépasse sa contribution à résister à l'effondrement. Dans le cadre de l'astrophysique, c'est ce qui explique le côté irrémédiable de l'effondrement gravitationnel en trou noir. Et dans le cadre de la cosmologie, c'est ce qui contredit l'intuition d'un début de l'expansion engendré par un milieu de forte pression. La pression, comme la densité d'énergie, freine l'expansion. La lumière elle-même génère une pression, et c'est le même raisonnement, cette pression contribue positivement à la gravité. Exit l'idée d'un "bang explosif" c-à-d qui serait causé par la pression initiale, qu'il s'agisse de celle des gaz ou de celle de la lumière. Si on en reste aux composants classiques, il n'existe pas de terme susceptible d'expliquer la valeur élevée du taux d'expansion initial.



Les choses ont commencé à changer au début des années 80 avec la théorie de l'inflation, qui est précisément une théorie du "bang". C'est elle qui va nous expliquer de quelle manière on peut conceptualiser cette valeur initiale très élevée de H, qui va ensuite subir le freinage de la matière et du rayonnement. Et puisqu'on a dit que ces deux compères avaient pour effet de diminuer H, la théorie de l'inflation postule un espace dépourvu de matière et de rayonnement, autrement dit : on part d'un espace vide. Nous allons voir qu'étrangement, seul le vide peut faire bang.

Pour comprendre ça, il va falloir déjà faire un gros détours conceptuel sur cette notion de vide. 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.

[Gilgamesh]

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, c-à-d 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 comme (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.

[Kiichi187]

OK, merci de vos réponses, je comprends mieux vos points de vue, après voici 2 articles qui sont en relation avec le sujet si jamais ca pourrait vous intéressé : https://www.pourlascience.fr/sd/cosm...rnite-6192.php

https://sciencespourtous.univ-lyon1....artir-de-rien/