Absolute Hot

häh? sinä kysyt. Siltä minusta tuntui. Kysymys ei sotke vain minunlaisten fysiikkanukkien mieliä. Useat fyysikot pyysivät saada vastata siihen ja viittasivat kollegoihin. Jopa ne, jotka eivät puhu siitä, sanoivat asioita, kuten ” se on hieman pois mukavuusalueeltani ”ja” luulen, että haluaisin märehtiä sitä.”Kun olin esittänyt sen eräälle kosmologille, linjan toisessa päässä oli niin kauan kuollutta hiljaisuutta, että ihmettelin, oliko meillä pudotettu puhelu.

olin koskettanut hermoa, koska minun tietämättäni korkeimman lämpötilan kysymys pääsee kosmologian ja teoreettisen fysiikan nykyisten tutkimusten ja ehdotettujen teorioiden ytimeen. Näillä aloilla työskentelevät tiedemiehet yrittävät tosiaan innokkaasti vastata tähän kysymykseen. Miksi? Koska, jossain mielessä, ei vähempää kuin tuleva fysiikan kurssi lepää vastauksen varassa.

Haastaja #1-1032 K

eräät kosmologiset mallit, muun muassa vuosikymmeniä vallassa ollut standardimalli, asettivat teoreettisen korkeimman lämpötilan. Sitä kutsutaan Planckin lämpötilaksi saksalaisen fyysikon Max Planckin mukaan, ja se vastaa noin 100 miljoonaa miljoonaa miljoonaa miljoonaa astetta eli 1032 Kelviniä. ”Se on naurettavaa, mitä se on”, sanoi Columbian fyysikko Arlin Crotts, kun kysyin häneltä, voisiko hän laittaa tuon numeron oikeisiin mittasuhteisiin puolestani. ”Se on miljardi miljardia kertaa suurin lämpötila, mitä meidän on ajateltava” (esimerkiksi gammasäteilypurkauksissa ja kvasaareissa). Tuo auttoi.

totuudenmukaisesti Planckin lämpötilaa pohtiessa voi unohtaa perspektiivin. Kaikki tavanomaiset termit erittäin kuuma-paahtava, paahtava, helvetillinen, Aseta suosikki täällä-osoittautua naurettavan riittämätön. Lyhyesti sanottuna, kun sanotaan, että 1032 K on kuuma, se on kuin sanoisi, että maailmankaikkeus vie jonkin verran tilaa.

olipa korkein lämpötila mikä tahansa, se saattaa periaatteessa vastata kylmintä lämpötilaa.

tavanomaisessa fysiikassa—eli sellaisessa, joka nojaa Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan kuvaamaan hyvin suurta ja kvanttimekaniikkaan kuvaamaan hyvin pientä—Planckin lämpötila saavutettiin 10-43 sekuntia alkuräjähdyksen alkamisen jälkeen. Tällä hetkellä, joka tunnetaan yhtenä Planckin aikana, koko maailmankaikkeuden arvellaan olleen Planckin pituinen eli 10-35 metriä. (Fysiikassa Max Planck on eponyymien kuningas. Hirveän korkea lämpötila hirveän pienessä tilassa hirveän lyhyessä ajassa … no, minkä jälkeen? Se on luultavasti vielä suurempi kysymys-miten maailmankaikkeus alkoi?- emme mene sinne.

tiiliseinän

Planckin lämpötila on tavanomaisen fysiikan korkein lämpötila, koska tavanomainen fysiikka hajoaa kyseisessä lämpötilassa. Yli 1032 K—eli ennen yhtä Planckin aikaa-laskelmat osoittavat, että outoja asioita, tuntemattomia asioita, alkaa tapahtua ilmiöille, joita pidämme lähellä ja rakkaina, kuten avaruus ja aika. Teorian mukaan hiukkasten energiat kasvavat niin suuriksi, että niiden väliset gravitaatiovoimat tulevat yhtä voimakkaiksi kuin muutkin voimat. Toisin sanoen gravitaatiosta ja maailmankaikkeuden kolmesta muusta perusvoimasta—sähkömagnetismista sekä voimakkaista ja heikoista ydinvoimista—tulee yksi yhtenäinen voima. Tietäen miten se tapahtuu, niin sanottu” Kaiken teoria”, on teoreettisen fysiikan Graalin malja tänä päivänä.

”emme tiedä tarpeeksi gravitaation kvanttiluonteesta edes spekuloidaksemme järkevästi maailmankaikkeuden historiaa ennen tätä aikaa”, kirjoittaa nobelisti Steven Weinberg tästä tiiliseinää vasten-hetkestä kirjassaan The First Three Minutes. ”Näin ollen onpa muut hunnut nostettu ylös, on yksi huntu, jonka lämpötila on 1032 K, joka vielä hämärtää näkemystämme varhaisimmista ajoista.”Kunnes joku keksii laajalti hyväksytyn painovoiman kvanttiteorian, Planckin lämpötila, Steven Weinbergin kaltaisille tavanomaisille fyysikoille, pysyy korkeimpana lämpötilana.

Haastaja #2-1030 K

Säieteoreetikoilla, niillä fyysikoilla, jotka uskovat kaikkeuden perustavimmillaan koostuvan hiukkasista, vaan pienistä, värähtelevistä kielistä, on oma näkemyksensä lämpötilasta. Puhuin Robert Brandenbergerin, Montrealin McGill-yliopiston teoreettisen kosmologin kanssa. Yhdessä Harvardin jousiteoreetikko Cumrun Vafan kanssa Brandenberger on ehdottanut varhaisesta universumista mallia, joka on aivan erilainen kuin perinteiset Alkuräjähdysmallit. (Minun pitäisi huomata, että on olemassa monia malleja siellä; olen koskettaa vain muutamia täällä.)

ns.string gas cosmology, tämä malli asettaa maksimilämpötilan, jota kutsutaan Hagedorn-lämpötilaksi. (Se on nimetty edesmenneen saksalaisen fyysikon Rolf Hagedornin mukaan.) ”Tämä on maksimilämpötila, jonka säieteoria ennustaa”, Brandenberger kertoi. Vaikka säieteoreetikot eivät anna tarkkaa lukua Hagedornin lämpötilalle, Brandenbergerillä on syytä olettaa sen olevan noin prosentti sen teoreettisesta serkusta Planckista. Se tekee siitä noin 1030 K eli kaksi suuruusluokkaa Planckin alapuolella.

Contender #3-1017 k

sain kuulla vielä yhdestä korkeimmasta mahdollisesta lämpötilasta Brandenbergerin entiseltä jatko-opiskelijalta Stephon Alexanderilta. Alexander on nykyään fysiikan apulaisprofessori Penn Statessa, ja hän on yksi monista fyysikoista, jotka odottavat innokkaasti päivää, jolloin Sveitsin ja Ranskan rajalla sijaitsevan Cernin viranomaiset käynnistävät Large Hadron Colliderin, maailman suurimman hiukkaskiihdyttimen.

yksi syy heidän innostumiseensa liittyy lämpötilaan. Kuten Alexander kertoi minulle, ” voi olla, että lämpötila on—kuten uskon—lämpötila tai energia aivan sen energian ympärillä, jota LHC tulee luotaamaan.”LHC toimii 14 biljoonan elektronivoltin eli terraelektronivoltin teholla. Neljätoista TeV vastaa 1017 K eli 15 magnitudia Planckin alapuolella.

miksi LHC voisi auttaa tämän selvittämisessä? Kuten Brandenberger selitti minulle, säieteoria ennustaa, että aika-avaruudessa on enemmän kuin neljä ulottuvuutta, joko 10 tai 11. ”Muut ulottuvuudet, jotka on piilotettu meille, voivat olla joko hyvin, hyvin pieniä-ne voivat olla merkkijonoja tai Planckin asteikkoa-tai sitten ne voivat olla TeV-asteikkoa.”Ja jos nämä lisäulottuvuudet osoittautuvat TeV-asteikoksi, hän sanoo, niin ylimmäksi lämpötilaksi tulee myös TeV-asteikko.

jos on kuumin lämpötila, oli se mikä tahansa, miten olisi jotain vielä kuumempaa? Ilman muuta!

kysyin Alexanderilta, mitä merkitsisi fysiikan kannalta, jos Planckin lämpötila osoittautuisi TeV-asteikoksi. ”Voi luoja, tämä olisi yksi lajimme suurimmista läpimurroista-tiedäthän, Einstein-juttuja”, hän sanoi. ”Se olisi yhtä suuri kuin itse suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan keksiminen.”Brandenberger puolestaan pitää” hyvin, hyvin kaukaa haettuna”, että lämpötilan ylempi päätepiste on TeV-asteikko. Riippumatta siitä, kuka on oikeassa tässä pisteessä-jos itse asiassa, joko on – se on naulan bitingly jännittävää nähdä, mitä syntyy LHC, joka on teilattu aloittaa toimintansa vuonna 2008. Alexander sanoo: ”Olen sijoittanut osakkeeni.”

Contender #4-0 K

ikään kuin vähintään kolme erilaista mahdollista vastakohtaa absoluuttiselle nollalle eivät olisi tarpeeksi pysäyttäviä, se mitä Alexander kertoi minulle seuraavaksi, sai pääni pyörälle. Mikä tahansa korkein lämpötila onkaan, hän sanoi, se saattaa vastata pohjimmiltaan kylmintä lämpötilaa. ”Toisin sanoen nollalämpötila on tavallaan sama kuin Planckin lämpötila.”

Come again?

Aleksanteri kuvasi kaksi mahdollista tapaa, joilla maailmankaikkeus sai alkunsa. Joko se oli Planckin lämpötilassa ja sitten se paisutettiin ja jäähdytettiin luodaksemme sen, mitä näemme tänään. Tai se alkoi nollalämpötilassa ja kiihtyi laajentuessaan. ”Eli jompikumpi kahdesta tilanteesta olisi voinut sattua”, hän sanoi, ” ja olisi mielenkiintoista, jos molemmat tilanteet todella ovat sama taustalla oleva ilmiö.”

eli voisiko kylmimmän mahdollisen lämpötilan fysiikka vastata kuumimman mahdollisen lämpötilan fysiikkaa? Ottaen huomioon, että yli molempien rajojen—alle yhden ja yli muiden—avaruus ja aika alkavat tehdä näitä outoja, tuntemattomia asioita, Alexander uskoo, että se on ”looginen johtopäätös, looginen mahdollisuus. Miksi ei?”

Beyond the beyond

why not, indeed? Keskusteltuani Alexanderin ja muiden kanssa hänen harvinaisella alallaan olin valmis mihin tahansa. Miten olisi jokin Planckia kuumempi? Toki! Kysyin Jim Gatesilta Marylandin yliopistosta. ”Tiedämme vain, että Planckin lämpötilan yläpuolella säännöt muuttuvat, mutta – – emme tiedä, mihin säännöt muuttuvat”, Hän sanoi. ”Jos joku keksii tällaiset johdonmukaiset säännöt, niin kyllä, on ajateltavissa, että tulee kuumempia lämpötiloja.”

miten olisi rajattoman korkea lämpötila? Hienoa! Loppujen lopuksi klassinen yleinen suhteellisuusteoria vaatii äärettömän korkeaa lämpötilaa aivan maailmankaikkeuden alussa, samoin kuin mustien aukkojen keskimmäisessä pisteessä, singulariteetissa.

tai jos on kuumin lämpötila, mitä se onkaan, miten olisi jotain vielä kuumempaa? Ilman muuta! Teoriassa kuumempi lämpötila voi olla olemassa—se on negatiivinen lämpötila. Kuten Charles Kittel ja Herbert Kroemer kirjoittavat klassisessa tekstissään terminen fysiikka, ”lämpötila-asteikko kylmästä kuumaan kulkee +0 K, …, +300 K, …, +∞ K, – ∞ K, …, -0 K.”

melkein pyörryksissä nyt, Käännyin jälleen Arlin Crottsin puoleen avun saamiseksi. Jos teoriassa mennään Planckin yläpuolelle äärettömän korkeaan lämpötilaan, seuraava askel äärettömyyden yli on miinus äärettömyys? ”No, nyt ei enää puhuta termisestä jakaumasta”, hän sanoi, ” mutta jos sitä jatkaa, periaatteessa mennään äärettömyyden läpi miinus äärettömyyteen ja sitten tullaan toiselle puolelle.”Vau! ”Mitä todella pitäisi kiinnittää huomiota, ”hän lisäsi,” on 1 Yli T , koska yksi yli ääretön ja yksi yli miinus ääretön ovat pohjimmiltaan sama asia.”Totally!

Contender #5-Who the heck knows?

kuten arvata saattoi, tässä vaiheessa fyysikot olivat menettäneet minut—ellei aivan alussa. Olin kaukana mukavuusalueeltani.

lopulta ehkä paras vastaus kysymykseeni tuli Lee Smolinilta Ontarion Waterloossa sijaitsevasta Perimeter Institute for Theoretical Physics-instituutista. ”Voi olla, että korkeintaan voi sanoa, että on mahdollista, että siellä on korkein mahdollinen lämpötila”, hän kertoi. ”Mutta anna minun miettiä sitä….”