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¿Eh? pregunta tú. Sí, así es como me sentí. Y la pregunta no solo se mete con las mentes de los tontos de la física como yo. Varios físicos suplicaron que no intentara responder, y me remitieron a colegas. Incluso los que hablaron de ello dijeron cosas como «Está un poco fuera de mi zona de confort» y «Creo que me gustaría reflexionar sobre ello.»Después de que se lo planteé a un cosmólogo, hubo un silencio muerto en el otro extremo de la línea durante el tiempo suficiente que me pregunté si teníamos una llamada caída.Había tocado un nervio, porque, sin que yo lo supiera, la pregunta de la temperatura más alta llega al corazón de las investigaciones actuales y las teorías propuestas en cosmología y física teórica. De hecho, los científicos que trabajan en estos campos están tratando celosamente de responder a esa pregunta. ¿Por qué? Porque, en cierto sentido, nada menos que el curso futuro de la física se basa en la respuesta.
Contendiente # 1-1032 K
Ciertos modelos cosmológicos, incluido el que ha prevalecido durante décadas, el Modelo Estándar, postulan una temperatura teórica más alta. Se llama temperatura de Planck, en honor al físico alemán Max Planck, y equivale a unos 100 millones de millones de millones de millones de grados, o 1032 Kelvin. «Es ridículo», dijo el físico de Columbia Arlin Crotts cuando le pregunté si podía poner ese número en perspectiva para mí. «Es mil millones de veces la temperatura más grande en la que tenemos que pensar» (en ráfagas de rayos gamma y cuásares, por ejemplo). Eso ayudó.
A decir verdad, al contemplar la temperatura de Planck, puede olvidarse de la perspectiva. Todos los términos habituales para muy caliente-abrasador, a la parrilla, infernal, inserte su favorito aquí-resultan ridículamente inadecuados. En resumen, decir que 1032 K es caliente es como decir que el universo ocupa algo de espacio.
Cualquiera que sea la temperatura más alta, podría ser esencialmente equivalente a la temperatura más fría.
En física convencional, es decir, del tipo que se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein para describir lo muy grande y la mecánica cuántica para describir lo muy pequeño, la temperatura de Planck se alcanzó 10-43 segundos después de que el Big Bang comenzara. En ese instante, conocido como un tiempo de Planck, se cree que el universo entero tenía la longitud de Planck, o 10-35 metros. (En física, Max Planck es el rey del mismo nombre. Una temperatura terriblemente alta en un espacio terriblemente pequeño en un tiempo terriblemente corto después de well bueno, ¿después de qué? Podría decirse que esa es una pregunta aún más grande: ¿cómo comenzó el universo?- y no iremos allí.
Una pared de ladrillo
La temperatura de Planck es la temperatura más alta en física convencional porque la física convencional se descompone a esa temperatura. Por encima de 1032 K, es decir, antes de un tiempo de Planck, los cálculos muestran que cosas extrañas, cosas desconocidas, comienzan a suceder a fenómenos que tenemos cerca y queridos, como el espacio y el tiempo. La teoría predice que las energías de las partículas se vuelven tan grandes que las fuerzas gravitacionales entre ellas se vuelven tan fuertes como cualquier otra fuerza. Es decir, la gravedad y las otras tres fuerzas fundamentales del universo—el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles—se convierten en una sola fuerza unificada. Saber cómo sucede eso, la llamada «teoría del todo», es el santo grial de la física teórica de hoy.
«No sabemos lo suficiente sobre la naturaleza cuántica de la gravitación, ni siquiera para especular inteligentemente sobre la historia del universo antes de este tiempo», escribe el Premio Nobel Steven Weinberg sobre este instante en su libro Los Primeros Tres Minutos. «Así, cualesquiera que sean los otros velos que se hayan levantado, hay un velo, a una temperatura de 1032 K, que aún oscurece nuestra visión de los primeros tiempos.»Hasta que a alguien se le ocurra una teoría cuántica de la gravedad ampliamente aceptada, la temperatura de Planck, para físicos convencionales como Steven Weinberg, seguirá siendo la temperatura más alta.
Contendiente # 2-1030 K
Los teóricos de cuerdas, aquellos físicos que creen que el universo en su forma más fundamental no consiste en partículas, sino en pequeñas cuerdas vibrantes, tienen su propia opinión sobre la temperatura. Hablé con Robert Brandenberger, cosmólogo teórico de la Universidad McGill en Montreal. Junto con el teórico de cuerdas de Harvard Cumrun Vafa, Brandenberger ha propuesto un modelo del universo primitivo que es bastante diferente al de los modelos tradicionales del Big Bang. (Debo señalar que hay muchos modelos por ahí; estoy tocando solo unos pocos aquí.)
Llamada cosmología de gas de cadena, este modelo postula una temperatura máxima llamada temperatura de Hagedorn. (Lleva el nombre del fallecido físico alemán Rolf Hagedorn.) «Esta es la temperatura máxima que predice la teoría de cuerdas», me dijo Brandenberger. Mientras que los teóricos de cuerdas no dan un número específico para la temperatura de Hagedorn, Brandenberger tiene razones para pensar que es aproximadamente el uno por ciento de su primo teórico, el Planck. Eso lo hace alrededor de 1030 K, o dos órdenes de magnitud por debajo del Planck.
Contendiente #3-1017 K
Me enteré de otra temperatura más alta posible del ex estudiante graduado de Brandenberger, Stephon Alexander. Ahora profesor asistente de física en Penn State, Alexander es uno de los muchos físicos que esperan ansiosamente el día en que los funcionarios del CERN en la frontera suizo-francesa enciendan el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo.
Una razón por la que están emocionados tiene que ver con la temperatura. Como me dijo Alexander, » Puede ser que la temperatura sea, como creo—la temperatura o la energía alrededor de la energía que el LHC sondeará.»El LHC operará a 14 billones de electrones voltios, o terra electrón voltios, designados TeV. Catorce TeV equivalen a 1017 K, es decir, 15 órdenes de magnitud por debajo del Planck.
¿Por qué el LHC podría ayudar a determinar esto? Como me explicó Brandenberger, la teoría de cuerdas predice que el espacio-tiempo tiene más de cuatro dimensiones, ya sea 10 u 11. «Ahora, las otras dimensiones, que están ocultas para nosotros, podrían ser muy, muy pequeñas, podrían ser cuerdas o escala de Planck, o bien podrían ser escala TeV.»Y si estas dimensiones adicionales resultan ser escala TeV, dice, entonces la temperatura más alta también será escala TeV.
Si hay una temperatura más caliente, sea lo que sea, ¿qué tal algo aún más caliente? ¡Sin problemas!
Le pregunté a Alexander qué significaría para la física si la temperatura de Planck resultara ser una escala TeV. «Oh, Dios mío, este sería uno de los mayores avances de nuestra especie, ya sabes, cosas de Einstein», dijo. «Sería tan grande como el descubrimiento de la relatividad y la mecánica cuántica en sí. Brandenberger, por su parte, piensa que es una «posibilidad muy, muy remota» que el extremo superior de la temperatura sea la escala TeV. Independientemente de quién tenga razón en este punto, si, de hecho, cualquiera de los dos lo tiene, será muy emocionante ver lo que surge del LHC, que está programado para comenzar a funcionar en 2008. Alexander dice: «Tengo mis acciones invertidas.»
Contendiente # 4-0 K
Como si al menos tres posibles opuestos diferentes al cero absoluto no dieran suficiente pausa, lo que Alexander me dijo a continuación realmente me hizo girar la cabeza. Cualquiera que sea la temperatura más alta, dijo, podría, simplemente podría ser esencialmente equivalente a la temperatura más fría. «En otras palabras, la temperatura cero es la misma, en cierto sentido, que la temperatura de Planck.»
Come again?
Alexander describió dos posibles formas en que comenzó el universo. O estaba a la temperatura de Planck y luego se infló y enfrió para crear lo que vemos hoy. O comenzó a cero temperatura y se aceleró a medida que se expandía. «Así que una de dos situaciones podría haber ocurrido», dijo, » y sería interesante si, de hecho, ambas situaciones son realmente el mismo fenómeno subyacente.»
Es decir, ¿podría la física de la temperatura más fría posible ser equivalente a la física de la temperatura más caliente posible? Teniendo en cuenta que más allá de ambos límites, por debajo de uno y por encima del otro, el espacio y el tiempo comienzan a hacer esas cosas extrañas y desconocidas, Alexander cree que es «una conclusión lógica, una posibilidad lógica. ¿Por qué no?»
Más allá del más allá
¿Por qué no, de hecho? Después de charlar con Alexander y otros en su campo enrarecido, estaba listo para cualquier cosa. ¿Qué tal algo teóricamente más caliente que el Planck? ¡Pues claro! Le pregunté a Jim Gates de la Universidad de Maryland. «Todo lo que sabemos es que por encima de la temperatura de Planck, las reglas cambian, pero’t no sabemos a qué cambian las reglas», dijo. «Si alguien se da cuenta de tales reglas consistentes, entonces sí, es concebible que haya temperaturas más altas.»
¿Qué tal una temperatura infinitamente alta? ¡Órale! Después de todo, la relatividad general clásica requiere una temperatura infinitamente alta en el comienzo mismo del universo, así como en el punto más central, la singularidad, de los agujeros negros.
O, si hay una temperatura más caliente, lo que sea, ¿qué tal algo aún más caliente? ¡Sin problemas! En teoría, puede existir una temperatura más caliente que una temperatura más caliente, es una temperatura negativa. Como escriben Charles Kittel y Herbert Kroemer en su texto clásico Física térmica, «La escala de temperatura de frío a caliente corre +0 K, …, +300 K, …, +∞ K, -∞ K, …, -300 K,., -0 K.»
Casi aturdido ahora, de nuevo recurrí a Arlin Crotts en busca de ayuda. Si, teóricamente hablando, vas por encima del Planck a una temperatura infinitamente alta, ¿el siguiente paso más allá del infinito es menos infinito? «Bueno, ya no estás hablando de distribución térmica», dijo, » pero si sigues empujándola, básicamente vas a través del infinito hasta el infinito negativo y luego vienes al otro lado.»Wow! «A lo que realmente deberías prestar atención», agregó, » es 1 sobre T, porque uno sobre infinito y uno sobre menos infinito son básicamente la misma cosa.»Totalmente!
Contendiente # 5 – ¿Quién diablos sabe?
Como habrás adivinado, en este punto los físicos me habían perdido, si no al principio. Estaba fuera de mi zona de confort.
Al final, quizás la mejor respuesta a mi pregunta vino de Lee Smolin del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Ontario. «Puede ser que lo máximo que puedas decir sea que existe la posibilidad de que haya una temperatura más alta posible», me dijo. «Pero déjame pensarlo over»
Notas del editor
Esta característica apareció originalmente en el sitio para el programa NOVA Absolute Zero.