Petition contre le bang

[Harpo]

Tiré de l'aritcle de Pour la science d'avril 2005 :

Dans l'effet Doppler classique, le décalage subi par les objets s'éloignant dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière devrait tendre vers l'infini. Leur longueur d'onde serait alors trop grande pour qu'ils soient observés. Si le décalage des galaxies les plus distantes était le fruit de l'effet Doppler, cela impliquerait qu'elles s'éloignent à des vitesses à peine inférieures à celle de la lumière. La formule du décalage vers le rouge cosmologique conduit cependant à une conclusion différente. Dans le modèle standard actuel de la cosmologie, les calculs indiquent que des galaxies ayant un décalage vers le rouge cosmologique de 1,5, c'est-à-dire dont la lumière a une longueur d'onde égale à 150 pour cent de celle mesurée en laboratoire, s'éloignent de nous à la vitesse de la lumière. Un millier de galaxies avec un décalage vers le rouge cosmologique supérieur à 1,5 sont aujourd'hui connues. Ces objets s'éloignent de nous à une vitesse de récession apparente supérieure à celle de la lumière. Le rayonnement du fond diffus cosmologique a parcouru encore plus de chemin : son décalage vers le rouge cosmologique vaut environ 1000. Quand le plasma chaud a émis le rayon-nement que nous voyons aujourd'hui, il s'éloignait vraisemblablement de nous à une vitesse d'environ 50 fois celle de la lumière.

L'utilisation de la formule de Doppler-Fizeau conduit bien à une erreur.

[iskra]

salut à tous,

juste un petit mot d'un ignorant qui ne demande qu'à s'instruire à l'ensemble des activistes de ce fil : Bonne continuation !

iskra

[gerard_wegan]

Ok Harpo... c'est seulement à faible décalage spectral que les modèles en relativités restreinte et générale coïncident entre eux... et avec le modèle classique. Pour l'anecdote d'ailleurs, c'est sur le modèle classique (càd comme décalage par effet Doppler) qu'a été faite la première interprétation des mesures de Hubble à la fin des années 1920... sans référence, donc, aux modèles cosmologiques construits sur la relativité générale dès la deuxième moitié de la décennie précédente. La jonction n'a été faite que plus tard ; il faudrait trouver la date dans un bouquin bien documenté sur l'histoire de la cosmologie, mais je ne suis pas certain que ça date d'avant la seconde guerre mondiale !

Ceci dit -- au risque de relancer une polémique avec Caupo sur les questions d'interprétation :mellow: -- je trouve celle donnée par les auteurs de l'article cité par Harpo problématique. Là aussi, il faudrait voir, mais je ne suis pas certain qu'elle fasse l'unanimité (pas inintéressant : je vais essayer d'y regarder de plus près). En deux mots : j'ai peut-être tout faux mais, à vue de nez, il me semble que l'interprétation physique des différents termes n'est pas indépendante de la métrique utilisée pour l'écriture des équations d'Einstein... laquelle conduit effectivement, dans le cas considéré par les auteurs, à des vitesses de récession possiblement supérieures à la vitesse de la lumière (bon, je ne m'aventure pas plus avant, c'est à creuser...).

[shadoko]

Pour l'anecdote d'ailleurs, c'est sur le modèle classique (càd comme décalage par effet Doppler) qu'a été faite la première interprétation des mesures de Hubble à la fin des années 1920... sans référence, donc, aux modèles cosmologiques construits sur la relativité générale dès la deuxième moitié de la décennie précédente. La jonction n'a été faite que plus tard ; il faudrait trouver la date dans un bouquin bien documenté sur l'histoire de la cosmologie, mais je ne suis pas certain que ça date d'avant la seconde guerre mondiale !

Je pense que si (mais je n'ai pas de preuve formelle sous la main). Il est en tout cas clair que très tôt, les astrophysiciens ont senti que les "vitesses" mesurées simplement avec l'effet Doppler étaient trop grandes pour être réelles:

"Nous utilisons le terme de vitesse apparente, de façon à insister sur le caractère empirique de la corrélation. Mais nous sentons bien que l'interprétation doit-être laissée aux personnes telles que vous-même et quelque rares autres qui sont compétentes pour discuter de ce sujet avec autorité" (lettre de Hubble à De Sitter, 1931).

Sinon, l'idée d'une dilatation de l'espace plutôt que des vitesses pour expliquer les mouvements des galaxies est de Lemaître, en 1927.

Ok Harpo... c'est seulement à faible décalage spectral que les modèles en relativités restreinte et générale coïncident entre eux... et avec le modèle classique.

Les formules de l'effet Doppler classique et de l'effet Doppler "relativité restreinte" ne coïncident pas, mais donnent effectivement un résultat numérique très proche à faible vitesse. Il existe en relativité générale une autre forme de décalage spectral, qui n'est pas de même nature que le cas classique et restreint, puisqu'il peut se produire sans aucune vitesse relative des observateurs. Il a un rapport avec la courbure (locale) de l'espace-temps. Il se produit par exemple dans le cas où de la lumière est émise à la surface d'un corps très massif (une étoile), et qu'un observateur la reçoit loin du corps massif. La longueur d'onde reçue est alors plus grande que celle émise.

j'ai peut-être tout faux mais, à vue de nez, il me semble que l'interprétation physique des différents termes n'est pas indépendante de la métrique utilisée pour l'écriture des équations d'Einstein...

Bon, désolé pour ceux qui ne comprennent pas, ce qui suit est une remarque technique qu'on peut sauter:
Je n'ai pas l'article de Pour la science mentionné plus haut sous la main. Mais la métrique détermine la courbure, et elle intervient donc évidement dans le calcul. La formule du décalage vers le rouge (relativité générale) est 1+z = a_0/a_e, où z est le rapport habituel dans l'effet Doppler (longeur d'onde reçue moins longeur d'onde émise sur longueur d'onde émise), et a est un facteur d'échelle (par exemple le rayon de l'univers observable). La courbure (et donc la métrique) est cachée dans ce a.

[shadoko]

Remarque pour ceux qui ne connaissent pas l'effet Doppler.

Tout le monde a déjà constaté que lorsqu'une voiture de course s'approche, on entend
"gniiiiiiiiii" (bruit de moteur aigu) et que quand elle est passée, on entend plutôt "onnnnn" (bruit grave). Pourtant, la voiture fait tout le temps le même bruit (le pilote entend toujours le même bruit, par exemple, quand il va tout droit à vitesse constante).

Il y a donc un décalage entre la fréquence (aiguë, grave) qu'on reçoit d'un objet qui se déplace à une certaine vitesse par rapport à nous, et celle qu'il a vraiment émise.

Si on comprend bien ce décalage ("formule de l'effet Doppler"), et qu'on connaît la fréquence du bruit qu'émet un moteur, on peut, juste en entendant ce moteur, savoir à quelle vitesse la voiture nous arrive dessus, par exemple.

Ce n'est pas spécifique au son, mais à toutes les ondes (donc en particulier la lumière), et c'est de ces décalages qu'il est question dans les messages précédents.

[gerard_wegan]

Pour Shadoko :

* je ne connaissais pas l'échange Hubble-de Sitter... intéressant ; ça provient de quelle source ?

* sur les modèles :

Ok Harpo... c'est seulement à faible décalage spectral que les modèles en relativités restreinte et générale coïncident entre eux... et avec le modèle classique.

Les formules de l'effet Doppler classique et de l'effet Doppler "relativité restreinte" ne coïncident pas, mais donnent effectivement un résultat numérique très proche à faible vitesse.

... on est bien d'accord que les formules des décalages relativiste et classique sont évidemment différentes (puisque c'est valable pour toutes les formules de la mécanique) ; quand je dis que les modèles coïncident à z faible, c'est précisément parce qu'ils donnent physiquement des résultats équivalents aux vitesses correspondantes, faibles devant la vitesse de la lumière -- or c'est bien sur les galaxies relativement proches, donc à faible vitesse de récession, que portaient les mesures de Hubble (du moins celles qui ont conduit à sa célèbre formule ; je ne sais pas trop ce qu'il a fait après !).

* par contre :

Il existe en relativité générale une autre forme de décalage spectral, qui n'est pas de même nature que le cas classique et restreint, puisqu'il peut se produire sans aucune vitesse relative des observateurs.

... Hummm ! Certes, le décalage spectral gravitationnel s'explique naturellement dans le cadre de la relativité générale (ou des autres modèles de gravitation relativiste) où il découle du principe d'équivalence... mais il avait déjà été prédit auparavant par Einstein comme conséquence de l'équivalence masse-énergie (E=mc2) posée par la relativité restreinte -- dans ce cadre là, c'est d'ailleurs facile à comprendre physiquement : un photon qui s'éloigne d'une masse perd de l'énergie en s'arrachant au champ gravitationnel, tout comme une particule perdrait de l'énergie cinétique en faisant la même chose ; et comme l'énergie du photon est liée à sa fréquence, il subit un décalage vers le rouge en s'éloignant (le raisonnement n'est pas très rigoureux... mais c'est grosso modo celui que fait Einstein, en 1905 je crois !).
Je doute cependant que cela ait été invoqué au moment des mesures de Hubble, d'abord en raison de la corrélation plus évidente distance-vitesse apparente (faudrait d'ailleurs voir ce que le décalage gravitationnel donnerait en ordre de grandeur pour les masses correspondant aux décalages mesurés...) ; ensuite parce que l'effet n'a été vérifié expérimentalement que très tard (Pound & Rebka, 1960).

* sur la question de la métrique : je n'ai pas non plus l'intégralité de l'article de Pour la Science... mais je suis allé voir les articles sur arxiv.org cités dans l'intro sur le site. Mon problème (mais comme dit plus haut, j'ai peut-être bien tout faux...) concerne la décomposition de la vitesse en deux termes (vitesse de récession & vitesse propre) qui, certes, découle naturellement des coordonnées choisies pour l'écriture de la métrique, et s'interprète simplement dans ce cadre... Mais comme il y a forcément un certain arbitraire dans le choix du système de coordonnées, je ne suis pas sûr que l'interprétation soit univoque !... mais comme je n'ai pas le temps d'y regarder de plus près... :(

[Harpo]

Hummm ! Certes, le décalage spectral gravitationnel s'explique naturellement dans le cadre de la relativité générale (ou des autres modèles de gravitation relativiste) où il découle du principe d'équivalence... mais il avait déjà été prédit auparavant par Einstein comme conséquence de l'équivalence masse-énergie (E=mc2) posée par la relativité restreinte -- dans ce cadre là, c'est d'ailleurs facile à comprendre physiquement : un photon qui s'éloigne d'une masse perd de l'énergie en s'arrachant au champ gravitationnel, tout comme une particule perdrait de l'énergie cinétique en faisant la même chose ; et comme l'énergie du photon est liée à sa fréquence, il subit un décalage vers le rouge en s'éloignant (le raisonnement n'est pas très rigoureux... mais c'est grosso modo celui que fait Einstein, en 1905 je crois !).

J'ai quelques doutes sur ce raisonnement : Le cadre de la relativité restreinte ne convient pas pour interpréter le décalage vers le rouge. Le photon ne peut être soumis à l'interaction gravitationnelle puisque sa masse (ou son énergie de masse ou énergie au repos) est nulle. D'ailleurs si l'on suivait ce raisonnement, la fréquence du photon croîtrait quand il se rapprocherait d'une autre masse puisqu'il recevrait alors de l'énergie. Les photons émis par des astres d'une galaxie retrouveraient une partie de l'énergie perdue pour s'en échapper quand ils rentreraient dans notre galaxie ?
Si la lumière (les photons) peut paraître attirée par une grande masse, et ne pas pouvoir s'échapper d'un trou noir, c'est du fait de la courbure de l'espace au voisinage d'une masse, ce qui a pour effet d'allonger le trajet, voire de le rendre infini.
Mais tout ceci n'est qu'une tentative pour traduire dans un langage accessible des phénomènes qui ne peuvent être interprétés correctement que par les équations de la relativité génerale. Aucune image simple ne les traduit correctement.

[shadoko]

[quote=" "]

... Hummm ! Certes, le décalage spectral gravitationnel s'explique naturellement dans le cadre de la relativité générale (ou des autres modèles de gravitation relativiste)
[/quote]
A quels autre modèles fait-tu allusion?

[quote=" "]

où il découle du principe d'équivalence...
[/quote]
Non, je n'en ai pas l'impression.

[quote=" "]

mais il avait déjà été prédit auparavant par Einstein comme conséquence de l'équivalence masse-énergie (E=mc2) posée par la relativité restreinte -- dans ce cadre là, c'est d'ailleurs facile à comprendre physiquement : un photon qui s'éloigne d'une masse perd de l'énergie en s'arrachant au champ gravitationnel, tout comme une particule perdrait de l'énergie cinétique en faisant la même chose ; et comme l'énergie du photon est liée à sa fréquence, il subit un décalage vers le rouge en s'éloignant (le raisonnement n'est pas très rigoureux... mais c'est grosso modo celui que fait Einstein, en 1905 je crois !).
[/quote]
Sauf qu'il n'y a aucune raison qu'une particule sans masse (photon) perde de l'énergie en s'arrachant d'un champ gravitationnel.

Je ne connais pas ce raisonnement chez Einstein en 1905 (je ne connais que son article fondateur, qui est disponible sur le site de Annalen der Physik, ou il est paru à l'origine). Or dans cet article, il n'est nullement mention de la gravité. Je ne crois pas me tromper en disant que la théorie de la relativité restreinte ne considère pas le cas de champs gravitationnels. Par contre, dans le cadre de la relativité générale, l'espace est courbé par la masse, et les photons suivent aussi les géodésiques (les nouvelles "lignes droites"), et sont donc influencés par les champs de gravité (qui sont cette fois considérés, c'est tout l'intérêt de la théorie).

Je possède par ailleurs le petit livre "la relativité" où Einstein explique lui-même sa théorie (malheureusement il parle à la fois de la relativité restreinte et générale). Il classe quand-même ce décalage "graviationnel" comme une des prévisions importantes de la relativité générale (appendice 3 "la confirmation de la théorie de la relativité générale par l'expérience", paragraphe 3 "le déplacement des raies spectrales vers le rouge").

Sinon, tu (Gérard) demandais l'échange Hubble-de Sitter, je l'ai trouvé cité dans un bouquin de Jean-Pierre Luminet, "l'univers chiffoné", chez gallimard, folio essai, p. 267). Je n'ai pas l'intégralité de l'échange, mais juste cette phrase.

[shadoko]

Ah, je vois que j'ai été "doublé" par Harpo... :laugh:
Bon, en gros, nous sommes d'accord...

[gerard_wegan]

[quote=" (Harpo @ mercredi 4 mai 2005 à 23:46"]
J'ai quelques doutes sur ce raisonnement[/quote]
Moi aussi... j'ai d'ailleurs dit plus haut qu'il n'était pas très rigoureux ! Mais, je répète : c'était le raisonnement d'Einstein [u]en 1905[/u], donc évidemment [u]avant[/u] la relativité générale ! A ce moment, il écrit sur les conséquences de l'équivalence masse-énergie posée par la [i]relativité restreinte[/i], et c'est dans ce cadre qu'il postule dès cette époque le décalage spectral gravitationnel... J'essayerai de retrouver le papier ou ses références... :33:

Cela n'a certes rien à voir avec l'explication qui découle naturellement de la gravitation relativiste, mais celle-ci postérieure... Par ailleurs, en 1905, évidemment personne en physique ne parlait de trous noirs, de courbure de l'espace-temps ou de déviation gravitationnelle de la lumière !

[quote=" (Harpo @ mercredi 4 mai 2005 à 23:46"]
D'ailleurs si l'on suivait ce raisonnement, la fréquence du photon croîtrait quand il se rapprocherait d'une autre masse[/quote]
... c'est bien évidemment le cas, l'explication étant symétrique de celle du "gravitational redshift" (qu'on regarde le phénomène du point de vue de la relativité restreinte ou de la relativité générale) !