Absolutní Horkou

Přijímat e-maily o připravovaných NOVA programy a související obsah, stejně jako doporučené podávání zpráv o aktuálním dění prostřednictvím vědy objektivem.

? ptejte se. Jo, tak jsem se cítil. A ta otázka si nezahrává jen s myšlenkami fyzikálních figurín, jako jsem já. Několik fyziků prosilo, aby se pokusili odpovědět, odkázal mě na kolegy. Dokonce i ti, kteří o tom mluvili, říkali věci jako „je to trochu mimo moji zónu pohodlí“ a „myslím, že bych to rád přemítal.“Poté, co jsem to položil jednomu kosmologovi, bylo na druhém konci linky mrtvé ticho natolik dlouho,že jsem přemýšlel, jestli máme přerušený hovor.

dotkl jsem se nervu, protože, bez mého vědomí, otázka nejvyšší teploty se dostává k jádru současných dotazů a navrhovaných teorií v kosmologii a teoretické fyzice. Vědci, kteří pracují v těchto oblastech, se horlivě snaží odpovědět na tuto otázku. Proč? Protože v jistém smyslu na odpovědi nespočívá nic jiného než budoucí průběh fyziky.

Uchazečem #1-1032 K

Některé kosmologické modely, včetně jednoho, který se konal vládnou po desetiletí, Standardní Model, postulovat teoretický nejvyšší teplota. Nazývá se Planckova teplota podle německého fyzika Maxe Plancka a rovná se asi 100 milionům milionů milionů milionů stupňů, neboli 1032 Kelvinů. „Je to směšné, je to, co to je,“ řekl kolumbijský fyzik Arlin Crotts, když jsem se ho zeptal, jestli by mi mohl dát toto číslo do perspektivy. „Je to miliarda miliardkrát největší teplota, o které musíme přemýšlet“ (například v gama zábleskech a kvasarech). To pomohlo.

po pravdě řečeno, při uvažování o Planckově teplotě můžete zapomenout na perspektivu. Všechny obvyklé termíny pro velmi horké-spalující, grilující, pekelné, vložte zde své oblíbené-se ukázaly jako absurdně nedostatečné. Stručně řečeno, říkat 1032 K je horké je jako říkat Vesmír zabírá nějaký prostor.

ať je nejvyšší teplota jakákoli, může být v podstatě ekvivalentní nejchladnější teplotě.

V konvenční fyzice—to znamená, že druh, který se spoléhá na einsteinově obecné teorii relativity popsat velmi velké a kvantové mechaniky popsat velmi malá—Planck teploty bylo dosaženo 10-43 sekundy po Velkém Třesku dostal pod cestou. V tomto okamžiku, známý jako jeden Planck čas, celý vesmír je myšlenka k byli Planck délka, nebo 10-35 metrů. (Ve fyzice je Max Planck králem stejnojmenného.) Strašně vysoká teplota v strašně malém prostoru v strašně krátké době po … no, po čem? To je pravděpodobně ještě větší otázka-jak začal vesmír?- a my tam nepůjdeme.

cihlová zeď

Planckova teplota je nejvyšší teplota v konvenční fyzice, protože konvenční fyziky porouchá a teplotě. Nad 1032 K—tedy dříve než jeden Planckův čas—výpočty ukazují, že podivné věci, neznámé věci, se začínají dít jevům, které držíme blízko a drahé, jako prostor a čas. Teorie předpovídá, že energie částic jsou tak velké, že gravitační síly mezi nimi jsou stejně silné jako jakékoli jiné síly. To znamená, že gravitace a další tři základní síly vesmíru-elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly-se stávají jedinou jednotnou silou. Vědět, jak se to stane, takzvaná „teorie všeho“, je dnes svatým grálem teoretické fyziky.

„nevíme dost o kvantové povaze gravitace ani spekulovat inteligentně o dějinách vesmíru, než tentokrát,“ píše nositel Nobelovy ceny Steven Weinberg o to-proti–brick-wall okamžiku ve své knize První Tři Minuty. „Ať už tedy byly zvednuty jakékoli jiné závoje, existuje jeden závoj při teplotě 1032 K, který stále zakrývá náš pohled na nejranější časy.“Dokud někdo nepřijde s široce přijímanou kvantovou teorií gravitace, Planckova teplota pro konvenční fyziky, jako je Steven Weinberg, zůstane nejvyšší teplotou.

uchazeč # 2-1030 k

Strunoví teoretici, ti fyzici, kteří věří, že vesmír v jeho nejzákladnější sestává nikoli z částic, ale z malých vibrujících řetězců, mají svůj vlastní názor na teplotu. Mluvil jsem s Robertem Brandenbergerem, teoretickým kosmologem na McGill University v Montrealu. Spolu s Harvard strunový teoretik Cumrun Vafa, Brandenberger navrhla model raného vesmíru, který je zcela odlišný od tradiční Big Bang modely. (Měl bych poznamenat, že existuje mnoho modelů; dotýkám se jen několika zde.)

nazývá se kosmologie řetězcového plynu, tento model předpokládá maximální teplotu nazývanou Hagedornova teplota. (Je pojmenována po zesnulém německém fyzikovi Rolfovi Hagedornovi.) „To je maximální teplota, kterou teorie strun předpovídá,“ řekl mi Brandenberger. Zatímco strunoví teoretici jedno konkrétní číslo pro Hagedorn teploty, Brandenberger má důvody si myslet, že to je o jedno procento jeho teoretické bratranec, Planck. To dělá to asi 1030 K, nebo dva řády pod Planckem.

Uchazečem #3-1017 K

naučila jsem se ještě další nejvyšší možné teploty od Brandenberger bývalý postgraduální student, Stephon Alexander. Nyní asistent profesora fyziky na univerzitě Penn State, Alexander je jedním z mnoha fyziků, kteří jsou dychtivě čekají na den, že úředníci v CERNU na švýcarsko-francouzské hranici přepnout na Large Hadron Collider, největší urychlovač částic.

jeden z důvodů, proč jsou nadšeni, souvisí s teplotou. Jak mi řekl Alexander, „je možné, že teplota je—jak věřím-teplota nebo energie přímo kolem energie, kterou LHC bude zkoumat.“LHC bude pracovat na 14 bilionech elektronových voltů, nebo terra elektronových voltů, označených TeV. Čtrnáct TeV se rovná 1017 K, tedy 15 řádů pod Planckem.

proč by to LHC mohl pomoci určit? Jak mi vysvětlil Brandenberger, teorie strun předpovídá, že časoprostor má více než čtyři dimenze, buď 10 nebo 11. „Další dimenze, které jsou nám skryty, by mohly být buď velmi, velmi malé—mohly by to být struny nebo Planckova stupnice – nebo by to mohla být tev stupnice.“A pokud se tyto další rozměry ukáží jako tev stupnice, říká, pak nejvyšší teplota bude také tev stupnice.

pokud je Nejteplejší teplota, ať už je to cokoli, co něco ještě teplejšího? Žádný problém!

zeptal jsem se Alexandra, co by to znamenalo pro fyziku, kdyby se Planckova teplota ukázala jako tev stupnice. „Ach můj Bože, to by byl jeden z největších průlomů našeho druhu-víte, Einstein věci,“ řekl. „Bylo by to stejně velké jako objev relativity a samotné kvantové mechaniky.“Brandenberger si myslí, že je to“ velmi, velmi dlouhá střela“, že horní konec teploty je tev stupnice. Bez ohledu na to, kdo má v tomto skóre pravdu-pokud ve skutečnosti buď je—bude napínavé sledovat, co vyplývá z LHC, který má začít fungovat v roce 2008. Říká Alexander: „mám investované akcie.“.“

Soupeře 4-0 K

Jako pokud alespoň tři různé možné protiklady absolutní nula nebyla pauza-dává dost, co Alexander řekl mi další opravdu mi točí hlava. Ať už je nejvyšší teplota jakákoli, může to být v podstatě rovnocenné nejchladnější teplotě. „Jinými slovy, nulová teplota je v jistém smyslu stejná jako Planckova teplota.“

přijít znovu?

Alexander popsal dva možné způsoby, jak vesmír začal. Buď to bylo při Planckově teplotě a pak se nafouklo a ochladilo, aby vytvořilo to, co dnes vidíme. Nebo to začalo při nulové teplotě a zrychlilo se, jak se rozšiřovalo. „Mohla se tedy stát jedna ze dvou situací, „řekl,“ a bylo by zajímavé, kdyby obě situace byly skutečně stejným základním jevem.“

to znamená, že by fyzika nejchladnější možné teploty mohla být ekvivalentní fyzice nejteplejší možné teploty? Vzhledem k tomu, že za oběma hranicemi-pod jedním a nad druhým-prostor a čas začnou dělat ty podivné, neznámé věci, Alexander věří, že je to „logický závěr, logická možnost. Proč ne?“

za hranicemi

proč vlastně ne? Po chatování s Alexandrem a dalšími v jeho vzácném poli, byl jsem na cokoli. Co takhle něco teoreticky žhavějšího než Planck? Jasně! Zeptal jsem se Jima Gatese z Marylandské univerzity. „Víme jen to, že nad Planckovou teplotou se mění pravidla , ale … nevíme, na co se pravidla mění,“ řekl. „Pokud někdo zjistí taková konzistentní pravidla, pak ano, je možné, že budou vyšší teploty.“

Co takhle nekonečně vysoká teplota? Skvělé! Koneckonců, klasická obecná relativita vyžaduje nekonečně vysokou teplotu na samém začátku vesmíru, stejně jako v nejvzdálenějším bodě, singularitě, černých děr.

Nebo, pokud je nejteplejší teplota, co to je, jak se o něco ještě víc sexy? Žádný problém! Teoreticky může existovat teplejší teplota než nejžhavější teplota-je to negativní teplota. Jako Charles Kittel a Herbert Kroemer psát v jejich klasický text Tepelné Fyziky, „teplotní stupnici od studené k teplé běží +0 K, …, +300 K, …, +∞ K -∞ K, …, -300 K, …, K. -0“

téměř závratný, znovu jsem se obrátil na Arlin Crotts o pomoc. Pokud, teoreticky řečeno, jdete nad Planck na nekonečně vysokou teplotu, dalším krokem za nekonečnem je mínus nekonečno? „No, už nemluvíte o tepelném rozdělení, „řekl,“ ale pokud to budete stále tlačit, v podstatě projdete nekonečnem do mínus nekonečna a pak se dostanete na druhou stranu.“Páni! „To, čemu byste měli opravdu věnovat pozornost, „dodal,“ je 1 lomeno T, protože jedno lomeno Nekonečno a jedno lomeno mínus nekonečno jsou v podstatě totéž.“Naprosto!

uchazeč #5-Kdo to sakra ví?

jak jste možná uhodli, v tomto bodě mě fyzici ztratili-ne – li na samém začátku. Byl jsem mimo svou komfortní zónu.

nakonec, snad nejlepší odpověď na mou otázku přišla od Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics ve Waterloo, Ontario. „Je možné, že nejvíce budete moci říct, že je tu možnost, že je nejvyšší možná teplota,“ řekl mi. „Ale nech mě to přehodnotit….“