Absolute Hot

Modtag e-mails om kommende NOVA-programmer og relateret indhold samt fremhævet rapportering om aktuelle begivenheder gennem en videnskabslinse.

Huh? spørger du. Ja, sådan følte jeg det. Og spørgsmålet er ikke bare rod med sindet af fysik dummies som mig. Flere fysikere bad om at forsøge at svare på det og henviste mig til kolleger. Selv dem, der talte om det, sagde ting som “det er lidt ude af min komfortområde” og “jeg tror, jeg gerne vil drøvtygge over det.”Efter at jeg stillede det til en kosmolog, var der død stilhed i den anden ende af linjen længe nok til, at jeg spekulerede på, om vi havde et faldet opkald.

jeg havde rørt en nerve, for uden at jeg vidste det, kommer det højeste temperaturspørgsmål til hjertet af aktuelle undersøgelser og foreslåede teorier inden for kosmologi og teoretisk fysik. Faktisk forsøger forskere, der arbejder på disse områder, nidkært at besvare dette spørgsmål. Hvorfor? Fordi i en vis forstand hviler intet mindre end fysikens fremtidige forløb på svaret.

Contender #1-1032 K

visse kosmologiske modeller, herunder den, der har holdt sving i årtier, standardmodellen, udgør en teoretisk højeste temperatur. Det kaldes Planck temperatur, efter den tyske fysiker maks Planck, og det svarer til omkring 100 millioner millioner millioner millioner grader, eller 1032 Kelvin. “Det er latterligt, hvad det er,” sagde Columbia-fysiker Arlin Crotts, da jeg spurgte ham, om han kunne sætte det nummer i perspektiv for mig. “Det er en milliard milliarder gange den største temperatur, som vi skal tænke på” (i gamma-ray bursts og kvasarer, for eksempel). Det hjalp.

sandfærdigt, når du overvejer Planck-temperaturen, kan du glemme perspektiv. Alle de sædvanlige vilkår for meget varmt-brændende, broiling, hellish, indsæt din favorit her—bevise latterligt utilstrækkelig. Kort sagt, at sige 1032 K er varmt er som at sige, at universet optager noget plads.

uanset hvilken højeste temperatur der er, kan det i det væsentlige svare til den koldeste temperatur.

i konventionel fysik—det vil sige den slags, der er afhængig af Einsteins teori om generel relativitet for at beskrive den meget store og kvantemekanik for at beskrive den meget lille—Planck-temperaturen blev nået 10-43 sekunder efter Big Bang kom i gang. På det øjeblik, kendt som en Planck-tid, menes hele universet at have været Planck-længden eller 10-35 meter. (I fysik er maks Planck kongen af den eponymous.) En frygtelig høj temperatur i et forfærdeligt lille rum på en frygtelig kort tid efter … godt, efter hvad? Det er uden tvivl et endnu større spørgsmål-Hvordan begyndte universet?- og vi tager ikke derhen.

en mur

Planck-temperaturen er den højeste temperatur i konventionel fysik, fordi konventionel fysik bryder sammen ved den temperatur. Over 1032 K—det vil sige tidligere end en Planck—tid-beregninger viser, at mærkelige ting, ukendte ting, begynder at ske med fænomener, vi holder nær og kære, som rum og tid. Teori forudsiger, at partikelenergier bliver så store, at gravitationskræfterne mellem dem bliver lige så stærke som andre kræfter. Det vil sige, at tyngdekraften og de andre tre grundlæggende kræfter i universet—elektromagnetisme og de stærke og svage atomkræfter—bliver en enkelt samlet kraft. At vide, hvordan det sker, den såkaldte “teori om alt”, er den teoretiske fysiks hellige gral i dag.

“vi ved ikke nok om gravitationens kvante karakter, selv for at spekulere intelligent om universets historie før denne tid,” skriver nobelpristageren Steven Veinberg om dette øjeblik mod en mursten i sin bog de første tre minutter. “Således, uanset hvilke andre slør der er blevet løftet, er der et slør ved en temperatur på 1032 K, der stadig skjuler vores syn på de tidligste tider.”Indtil nogen kommer op med en bredt accepteret kvanteteori om tyngdekraften, vil Planck-temperaturen for konventionelle fysikere som Steven Veinberg forblive den højeste temperatur.

Contender # 2-1030 K

strengteoretikere, de fysikere, der tror universet på sit mest grundlæggende, består ikke af partikler, men af små, vibrerende strenge, har deres egen temperatur. Jeg talte med Robert Brandenberger, en teoretisk kosmolog ved McGill University i Montreal. Sammen med Harvard strengteoretiker Cumrun Vafa har Brandenberger foreslået en model af det tidlige univers, der er helt anderledes end traditionelle Big Bang-modeller. (Jeg skal bemærke, at der er mange modeller derude; jeg rører kun nogle få her.)

kaldet strenggas kosmologi, denne model stiller en maksimal temperatur kaldet Hagedorn temperatur. (Det er opkaldt efter den afdøde tyske fysiker Rolf Hagedorn.) “Dette er den maksimale temperatur, som strengteori forudsiger,” fortalte Brandenberger mig. Mens strengteoretikere ikke giver et specifikt tal for Hagedorn-temperaturen, har Brandenberger grunde til at tro, at det er omkring en procent af sin teoretiske fætter, Planck. Det gør det omkring 1030 K, eller to størrelsesordener under Planck.

Contender #3-1017 K

Jeg lærte om endnu en højest mulig temperatur fra Brandenbergers tidligere kandidatstuderende, Stephon Aleksander. Nu er han assisterende professor i fysik ved Penn State og er en af mange fysikere, der ivrigt venter på den dag, hvor embedsmænd ved CERN ved den fransk-franske grænse tænder Large Hadron Collider, verdens største partikelaccelerator.

en af grundene til, at de er spændte, har at gøre med temperatur. “Det kan være, at temperaturen er—som jeg tror-temperaturen eller energien lige omkring den energi, som LHC vil undersøge.”LHC vil fungere ved 14 billioner elektronvolt eller terra elektronvolt, betegnet TeV. Fjorten TeV er lig med 1017 K, således 15 størrelsesordener under Planck.

hvorfor kunne LHC hjælpe med at bestemme dette? Som Brandenberger forklarede mig, forudsiger strengteori, at rumtid har mere end fire dimensioner, enten 10 eller 11. “Nu kan de andre dimensioner, som er skjult for os, enten være meget, meget små—de kunne være strenge eller Planck—skala-ellers kunne de være TeV-skala.”Og hvis disse ekstra dimensioner viser sig at være TeV-skala, siger han, så vil den øverste temperatur også være TeV-skala.

hvis der er en hotteste temperatur, uanset hvad det er, hvad med noget endnu varmere? Intet problem!

Jeg spurgte Aleksander, hvad det ville betyde for fysik, hvis Planck-temperaturen viste sig at være TeV-skala. “Åh min Gud, dette ville være et af de største gennembrud af vores art—du ved, Einstein ting,” sagde han. “Det ville være lige så stort som opdagelsen af relativitet og kvantemekanik selv.”Brandenberger mener på sin side, at det er et “meget, meget langt skud”, at temperaturens øvre Terminal er TeV-skala. Uanset hvem der har ret på denne score—hvis det faktisk er det-vil det være søm-bitingly spændende at se, hvad der opstår fra LHC, som er planlagt til at begynde drift i 2008. “Jeg har investeret min aktie.”

Contender #4-0 K

som om mindst tre forskellige mulige modsætninger til absolut nul ikke var pause-giver nok, hvad Aleksander fortalte mig næste virkelig sætte mit hoved spinning. Uanset hvad den højeste temperatur er, sagde han, det kan måske bare svare til den koldeste temperatur. “Med andre ord, nul temperatur er den samme, på en måde, som Planck temperatur.”

kom igen?Aleksander beskrev to mulige måder, universet begyndte på. Enten var det ved Planck-temperaturen og derefter oppustet og afkølet for at skabe det, vi ser i dag. Eller det startede ved nul temperatur og fremskyndede, da det udvidede sig. “Så en af to situationer kunne være sket, “sagde han,” og det ville være interessant, hvis begge situationer virkelig er det samme underliggende fænomen.”

det vil sige, kunne fysikken i den koldeste mulige temperatur svare til fysikken i den hotteste mulige temperatur? I betragtning af at ud over begge grænser—under den ene og over den anden—rum og tid begynder at gøre disse mærkelige, ukendte ting, Aleksander mener, at det er “en logisk konklusion, en logisk mulighed. Hvorfor ikke?”

Beyond the beyond

hvorfor ikke, ja? Efter at have snakket med Aleksander og andre i hans sjældne felt, jeg var klar til noget. Hvad med noget teoretisk varmere end Planck? Selvfølgelig! Jeg spurgte Jim Gates fra University of Maryland. “Alt, hvad vi ved, er, at over Planck-temperaturen ændres reglerne, men … vi ved ikke, hvad reglerne ændres til,” sagde han. “Hvis nogen finder ud af sådanne ensartede regler, så ja, det er tænkeligt, at der vil være varmere temperaturer.”

hvad med en grænseløs høj temperatur? Fedt! Når alt kommer til alt kræver klassisk generel relativitet en uendelig høj temperatur i starten af universet såvel som i det midterste punkt, singulariteten, af sorte huller.

eller, hvis der er en hotteste temperatur, uanset hvad det er, hvad med noget endnu varmere? Intet problem! I teorien kan en varmere temperatur end en hotteste temperatur eksistere—det er en negativ temperatur. Som Charles Kittel og Herbert Kroemer skriver i deres klassiske tekst Thermal Physics, ” temperaturskalaen fra kolde til varme løber +0 K,…, + 300 K,…, + Karr K, – Karr K,…, -300 K,…, -0 K.”

næsten svimmel nu vendte jeg mig igen til Arlin Crotts for at få hjælp. Hvis du teoretisk set går over Planck til en uendelig høj temperatur, er det næste trin ud over uendelighed minus uendelighed? “Nå, du taler ikke om termisk distribution længere, “sagde han,” men hvis du fortsætter med at skubbe den, går du dybest set gennem uendelighed over til minus uendelighed og kommer derefter rundt på den anden side.”Hold da op! “Hvad du virkelig skal være opmærksom på, “tilføjede han,” er 1 over T, fordi en over uendelig og en over minus uendelig er stort set den samme ting.”Fuldstændig!

Contender #5 – hvem dælen kender?

som du måske har gættet, havde fysikerne på dette tidspunkt mistet mig—hvis ikke i begyndelsen. Jeg var langt væk fra min komfort.i sidste ende kom måske det bedste svar på mit spørgsmål fra Lee Smolin fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario. “Det kan være, at det mest du vil kunne sige er, at der er en mulighed for, at der er en højest mulig temperatur,” fortalte han mig. “Men lad mig mulle det over….”