Absolut heiß

Huh? du fragst. Ja, so habe ich mich gefühlt. Und die Frage beschäftigt nicht nur Physik-Dummies wie mich. Mehrere Physiker bettelten darum, es zu beantworten, und verwiesen mich auf Kollegen. Sogar diejenigen, die darüber gesprochen haben, sagten Dinge wie „Es ist ein bisschen außerhalb meiner Komfortzone“ und „Ich denke, ich würde gerne darüber nachdenken.“ Nachdem ich es einem Kosmologen gestellt hatte, herrschte am anderen Ende der Leitung lange genug Totenstille, dass ich mich fragte, ob wir einen Anruf abgesetzt hatten.

Ich hatte einen Nerv getroffen, weil die Höchsttemperaturfrage, ohne dass ich es wusste, die aktuellen Untersuchungen und vorgeschlagenen Theorien in der Kosmologie und theoretischen Physik auf den Punkt bringt. In der Tat versuchen Wissenschaftler, die auf diesen Gebieten arbeiten, eifrig, diese Frage zu beantworten. Warum? Denn in gewissem Sinne beruht nichts weniger als der zukünftige Verlauf der Physik auf der Antwort.

Contender #1-1032 K

Bestimmte kosmologische Modelle, einschließlich des seit Jahrzehnten vorherrschenden Standardmodells, setzen eine theoretische Höchsttemperatur voraus. Es heißt die Planck-Temperatur, nach dem deutschen Physiker Max Planck, und es entspricht etwa 100 Millionen Millionen Millionen Millionen Millionen Grad oder 1032 Kelvin. „Es ist lächerlich, was es ist“, sagte der Columbia-Physiker Arlin Crotts, als ich ihn fragte, ob er diese Zahl bitte für mich relativieren könne. „Es ist eine Milliarde Milliarden Mal die größte Temperatur, an die wir denken müssen“ (zum Beispiel bei Gammastrahlenausbrüchen und Quasaren). Oh, das hat geholfen.

Wenn Sie die Planck-Temperatur betrachten, können Sie die Perspektive vergessen. Alle üblichen Begriffe für sehr heiß – sengend, braten, höllisch, fügen Sie hier Ihren Favoriten ein – erweisen sich als lächerlich unzureichend. Kurz gesagt, 1032 K zu sagen ist heiß, als würde man sagen, dass das Universum etwas Platz einnimmt.

Was auch immer die höchste Temperatur ist, sie könnte im Wesentlichen der kältesten Temperatur entsprechen.

In der konventionellen Physik — also der Art, die sich auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie stützt, um das sehr Große und die Quantenmechanik das sehr Kleine zu beschreiben — wurde die Planck-Temperatur 10-43 Sekunden nach Beginn des Urknalls erreicht. In diesem Moment, bekannt als eine Planck-Zeit, wird angenommen, dass das gesamte Universum die Planck-Länge oder 10-35 Meter hatte. (In der Physik ist Max Planck der König des Gleichnamigen.) Eine schrecklich hohe Temperatur in einem schrecklich kleinen Raum in einer schrecklich kurzen Zeit nach … na ja, nach was? Das ist wohl eine noch größere Frage — wie hat das Universum begonnen?- und wir werden nicht dorthin gehen.

Eine Mauer

Die Planck-Temperatur ist die höchste Temperatur in der konventionellen Physik, da die konventionelle Physik bei dieser Temperatur zusammenbricht. Oberhalb von 1032 K — also früher als eine Planck-Zeit – zeigen Berechnungen, dass seltsame Dinge, unbekannte Dinge, mit Phänomenen geschehen, die uns nahe und teuer sind, wie Raum und Zeit. Die Theorie sagt voraus, dass die Teilchenenergien so groß werden, dass die Gravitationskräfte zwischen ihnen so stark werden wie alle anderen Kräfte. Das heißt, die Schwerkraft und die anderen drei Grundkräfte des Universums — der Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte — werden zu einer einzigen einheitlichen Kraft. Zu wissen, wie das passiert, die sogenannte „Theorie von allem“, ist heute der heilige Gral der theoretischen Physik.

„Wir wissen nicht genug über die Quantennatur der Gravitation, um auch nur intelligent über die Geschichte des Universums vor dieser Zeit zu spekulieren“, schreibt Nobelpreisträger Steven Weinberg in seinem Buch The First Three Minutes. „Was auch immer andere Schleier gelüftet haben mögen, es gibt einen Schleier bei einer Temperatur von 1032 K, der immer noch unseren Blick auf die frühesten Zeiten verdeckt.“ Bis jemand eine weithin akzeptierte Quantentheorie der Schwerkraft entwickelt, wird die Planck-Temperatur für konventionelle Physiker wie Steven Weinberg die höchste Temperatur bleiben.

Contender #2-1030 K

Stringtheoretiker, jene Physiker, die glauben, dass das Universum in seiner grundlegendsten Form nicht aus Teilchen, sondern aus winzigen, vibrierenden Strings besteht, haben ihre eigene Einstellung zur Temperatur. Ich sprach mit Robert Brandenberger, einem theoretischen Kosmologen an der McGill University in Montreal. Zusammen mit der Harvard-Stringtheoretikerin Cumrun Vafa hat Brandenberger ein Modell des frühen Universums vorgeschlagen, das sich stark von dem traditioneller Urknallmodelle unterscheidet. (Ich sollte beachten, dass es viele Modelle gibt; Ich berühre hier nur einige.)

Dieses Modell, das als Stringgaskosmologie bezeichnet wird, setzt eine maximale Temperatur voraus, die als Hagedorn-Temperatur bezeichnet wird. (Es ist nach dem verstorbenen deutschen Physiker Rolf Hagedorn benannt.“Dies ist die maximale Temperatur, die die Stringtheorie vorhersagt“, sagte Brandenberger. Während Stringtheoretiker keine bestimmte Zahl für die Hagedorn-Temperatur angeben, hat Brandenberger Gründe zu der Annahme, dass es sich um ein Prozent ihres theoretischen Cousins, des Planck, handelt. Das macht es etwa 1030 K oder zwei Größenordnungen unter dem Planck.

Anwärter # 3-1017 K

Ich habe von Brandenbergers ehemaligem Doktoranden Stephon Alexander von einer weiteren höchstmöglichen Temperatur erfahren. Alexander ist heute Assistenzprofessor für Physik an der Penn State und einer von vielen Physikern, die gespannt auf den Tag warten, an dem Beamte am CERN an der schweizerisch-französischen Grenze den Large Hadron Collider, den größten Teilchenbeschleuniger der Welt, einschalten.

Ein Grund, warum sie aufgeregt sind, hat mit der Temperatur zu tun. Wie Alexander mir sagte: „Es kann sein, dass die Temperatur — wie ich glaube — die Temperatur oder die Energie direkt um die Energie ist, die der LHC untersuchen wird.“ Der LHC wird mit 14 Billionen Elektronenvolt oder Terra-Elektronenvolt betrieben, die als TeV bezeichnet werden. Vierzehn TeV entspricht 1017 K, also 15 Größenordnungen unter dem Planck.

Warum könnte der LHC dabei helfen? Wie Brandenberger mir erklärte, sagt die Stringtheorie voraus, dass die Raumzeit mehr als vier Dimensionen hat, entweder 10 oder 11. „Nun, die anderen Dimensionen, die uns verborgen sind, könnten entweder sehr, sehr klein sein — sie könnten Strings oder Planck—Skala sein – oder sie könnten TeV-Skala sein.“ Und wenn sich diese zusätzlichen Dimensionen als TeV-Skala erweisen, sagt er, dann wird die oberste Temperatur auch TeV-Skala sein.

Wenn es eine heißeste Temperatur gibt, was auch immer es ist, wie wäre es mit etwas noch Heißerem? Kein Problem!

Ich fragte Alexander, was es für die Physik bedeuten würde, wenn sich die Planck-Temperatur als TeV-Skala herausstellen würde. „Oh mein Gott, das wäre einer der größten Durchbrüche unserer Spezies — wissen Sie, Einstein-Zeug“, sagte er. „Es wäre so groß wie die Entdeckung der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik selbst.“ Brandenberger seinerseits hält es für einen „sehr, sehr langen Schuss“, dass der obere Endpunkt der Temperatur die TeV-Skala ist. Unabhängig davon, wer in dieser Hinsicht Recht hat – wenn es tatsächlich so ist -, wird es spannend sein zu sehen, was aus dem LHC entsteht, der 2008 in Betrieb gehen soll. Alexander sagt: „Ich habe meine Aktien investiert.“

Contender #4-0 K

Als ob mindestens drei verschiedene mögliche Gegensätze zum absoluten Nullpunkt nicht pausengebend genug wären, drehte mir das, was Alexander mir als nächstes erzählte, wirklich den Kopf. Was auch immer die höchste Temperatur ist, er sagte, es könnte, könnte im Wesentlichen der kältesten Temperatur entsprechen. „Mit anderen Worten, die Nulltemperatur ist in gewissem Sinne die gleiche wie die Planck-Temperatur.“

Wiederkommen?

Alexander beschrieb zwei mögliche Wege, wie das Universum begann. Entweder war es bei der Planck-Temperatur und dann aufgeblasen und abgekühlt, um zu schaffen, was wir heute sehen. Oder es begann bei Null Temperatur und beschleunigte sich, als es sich ausdehnte. „Eine von zwei Situationen hätte also passieren können“, sagte er, „und es wäre interessant, wenn beide Situationen tatsächlich dasselbe zugrunde liegende Phänomen wären.“

Das heißt, könnte die Physik der kältesten möglichen Temperatur der Physik der heißesten möglichen Temperatur entsprechen? Wenn man bedenkt, dass jenseits beider Grenzen — unter und über der anderen — Raum und Zeit beginnen, diese seltsamen, unbekannten Dinge zu tun, glaubt Alexander, dass es „eine logische Schlussfolgerung, eine logische Möglichkeit“ ist. Warum nicht?“

Jenseits des Jenseits

Warum eigentlich nicht? Nachdem ich mich mit Alexander und anderen in seinem verdünnten Feld unterhalten hatte, war ich zu allem bereit. Wie wäre es mit etwas theoretisch Heißerem als dem Planck? Sicher! Ich fragte Jim Gates von der University of Maryland. „Alles, was wir wissen, ist, dass sich über der Planck-Temperatur die Regeln ändern, aber … wir wissen nicht, wohin sich die Regeln ändern“, sagte er. „Wenn jemand solche konsistenten Regeln herausfindet, dann ist es ja denkbar, dass es heißere Temperaturen geben wird.“

Wie wäre es mit einer grenzenlos hohen Temperatur? Großartig! Schließlich fordert die klassische allgemeine Relativitätstheorie eine unendlich hohe Temperatur am Anfang des Universums sowie im Mittelpunkt, der Singularität, Schwarzer Löcher.

Oder, wenn es eine heißeste Temperatur gibt, was auch immer es ist, wie wäre es mit etwas noch Heißerem? Kein Problem! Theoretisch kann eine heißere Temperatur als eine heißeste Temperatur existieren – es ist eine negative Temperatur. Wie Charles Kittel und Herbert Kroemer in ihrem klassischen Text Thermal Physics schreiben: „Die Temperaturskala von kalt nach heiß verläuft +0 K, …, +300 K, …, +∞ K, -∞ K, …, -300 K, …, -0 K.“

Fast schwindlig jetzt, wandte ich mich wieder an Arlin Crotts um Hilfe. Wenn Sie theoretisch über die Planck-Grenze zu einer unendlich hohen Temperatur gehen, ist der nächste Schritt über die Unendlichkeit hinaus minus unendlich? „Nun, du redest nicht mehr über die Wärmeverteilung“, sagte er, „aber wenn du es weiter drückst, gehst du im Grunde genommen durch unendlich bis minus unendlich und kommst dann auf der anderen Seite herum.“ Wow! „Was Sie wirklich beachten sollten“, fügte er hinzu, „ist 1 über T , weil eins über unendlich und eins über minus Unendlich im Grunde dasselbe sind.“ Total!

Anwärter #5-Wer zum Teufel weiß das?

Wie Sie vielleicht erraten haben, hatten mich die Physiker zu diesem Zeitpunkt verloren — wenn auch nicht ganz am Anfang. Ich war weit weg von meiner Komfortzone.Am Ende kam die vielleicht beste Antwort auf meine Frage von Lee Smolin vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario. „Es kann sein, dass Sie höchstens sagen können, dass es die Möglichkeit gibt, dass es eine höchstmögliche Temperatur gibt“, sagte er mir. „Aber lassen Sie mich darüber nachdenken ….“