Absolute Hot

Huh? te kérdezed. Igen, én is így éreztem. És a kérdés nem csak összezavarja az olyan fizikai bábuk elméjét, mint én. Több fizikus könyörgött, hogy próbálja meg válaszolni, utalva a kollégákra. Még azok is, akik beszéltek róla, olyan dolgokat mondtak, mint “ez egy kicsit ki van téve a komfortzónámból” és “azt hiszem, szeretnék rágódni rajta.”Miután feltettem az egyik kozmológusnak, a vonal másik végén elég hosszú volt a halott csend, hogy azon tűnődjek, vajon van-e elutasított hívásunk.

megérintettem egy ideget, mert, tudtom nélkül, a legmagasabb hőmérsékletű kérdés a kozmológia és az elméleti fizika jelenlegi kutatásainak és javasolt elméleteinek középpontjába kerül. Valójában az ezeken a területeken dolgozó tudósok buzgón próbálják megválaszolni ezt a kérdést. Miért? Mert bizonyos értelemben nem kevesebb, mint a fizika jövőbeli folyamata a válaszon nyugszik.

versenyző # 1-1032 K

bizonyos kozmológiai modellek, beleértve az évtizedek óta uralkodó modellt, a Standard modellt, elméleti legmagasabb hőmérsékletet feltételeznek. Max Planck német fizikus után Planck-hőmérsékletnek hívják, és körülbelül 100 millió millió millió millió millió fok, vagyis 1032 Kelvin. “Nevetséges az, ami” – mondta Arlin Crotts, a kolumbiai fizikus, amikor megkérdeztem tőle, hogy tudná-e ezt a számot perspektívába helyezni nekem. “Ez egymilliárdszorosa a legnagyobb hőmérsékletnek, amire gondolnunk kell” (például gammasugár-kitörésekben és kvazárokban). Ó, ez segített.

őszintén szólva, amikor a Planck-hőmérsékletet fontolgatja, elfelejtheti a perspektívát. A nagyon forró—perzselő, roston sült, pokoli, helyezze ide kedvencét-nevetségesen elégtelennek bizonyul. Röviden: azt mondani, hogy 1032 K forró, olyan, mintha azt mondanánk, hogy az univerzum foglal el némi helyet.

bármi legyen is a legmagasabb hőmérséklet, lényegében egyenértékű lehet a leghidegebb hőmérséklettel.

a hagyományos fizikában—vagyis az a fajta, amely Einstein általános relativitáselméletére támaszkodik a nagyon nagy, a kvantummechanika pedig a nagyon kicsi leírására—a Planck-hőmérsékletet 10-43 másodperccel az Ősrobbanás kezdete után érte el. Abban a pillanatban, az úgynevezett egy Planck idő, úgy gondolják, hogy az egész univerzum a Planck hossza volt, vagy 10-35 méter. (A fizikában Max Planck a névadó királya.) Borzasztóan magas hőmérséklet egy borzasztóan kis helyen, borzasztóan rövid idő alatt … Nos, mi után? Ez vitathatatlanul még nagyobb kérdés—hogyan kezdődött az univerzum?- és nem megyünk oda.

egy téglafal

a Planck hőmérséklet a legmagasabb hőmérséklet a hagyományos fizikában, mert a hagyományos fizika ezen a hőmérsékleten lebomlik. 1032 K felett-vagyis egy Planck-időnél korábban-a számítások azt mutatják, hogy furcsa dolgok, ismeretlen dolgok kezdenek történni a közeli és kedves jelenségekkel, mint a tér és az idő. Az elmélet azt jósolja, hogy a részecske energiák olyan nagyok lesznek, hogy a köztük lévő gravitációs erők ugyanolyan erősek lesznek, mint bármely más erő. Vagyis a gravitáció és a világegyetem másik három alapvető ereje—az elektromágnesesség és az erős és gyenge nukleáris erők—egyetlen egységes erővé válnak. Tudva, hogy ez hogyan történik, az úgynevezett” minden elmélete ” az elméleti fizika Szent Grálja.

“nem tudunk eleget a gravitáció kvantum természetéről, még ahhoz sem, hogy intelligensen spekuláljunk az univerzum történelméről ez idő előtt”-írja Steven Weinberg Nobel-díjas erről a téglafal-fal elleni pillanatról az első három perc című könyvében. “Tehát bármilyen más fátylat is felemeltek, van egy fátyol, 1032 K hőmérsékleten, amely még mindig elhomályosítja a legkorábbi időkről alkotott nézetünket.”Amíg valaki nem áll elő a gravitáció széles körben elfogadott kvantumelméletével, a Planck-hőmérséklet az olyan hagyományos fizikusok számára, mint Steven Weinberg, továbbra is a legmagasabb hőmérséklet marad.

versenyző #2-1030 K

Húrelméleti szakemberek, azok a fizikusok, akik úgy vélik, hogy az univerzum legalapvetőbb része nem részecskékből, hanem apró, vibráló húrokból áll, saját hőmérsékletük van. Beszéltem Robert Brandenbergerrel, a montreali McGill Egyetem Elméleti kozmológusával. Cumrun Vafa, a Harvard vonós teoretikusával együtt Brandenberger a korai Univerzum modelljét javasolta, amely egészen más, mint a hagyományos Big Bang modellek. (Meg kell jegyeznem, hogy sok modell létezik; itt csak néhányat érintek.)

húrgáz kozmológiának hívják, ez a modell egy maximális hőmérsékletet állít fel, amelyet Hagedorn hőmérsékletnek hívnak. (Nevét a néhai német fizikus, Rolf Hagedorn után kapta.) “Ez a maximális hőmérséklet, amelyet a húrelmélet megjósol” – mondta Brandenberger. Míg a húrelméleti szakemberek nem adnak konkrét számot a Hagedorn hőmérsékletére, Brandenbergernek oka van azt gondolni, hogy ez elméleti unokatestvérének, a Planck-nak körülbelül egy százaléka. Ez körülbelül 1030 K-t tesz ki, vagy két nagyságrenddel a Planck alatt.

versenyző #3-1017 k

Brandenberger egykori végzős hallgatójától, Stephon Alexandertől tanultam egy újabb lehetséges legmagasabb hőmérsékletet. Most a Penn State fizika adjunktusa, Alexander egyike azon sok fizikusnak, akik türelmetlenül várják azt a napot, amikor a CERN tisztviselői a svájci-francia határon bekapcsolják a nagy Hadronütköztetőt, a világ legnagyobb részecskegyorsítóját.

az egyik ok, amiért izgatottak, a hőmérséklethez kapcsolódik. Ahogy Alexander mondta nekem, ” lehet, hogy a hőmérséklet—ahogy hiszem—az a hőmérséklet vagy az energia, amely az LHC által vizsgált energia körül van.”Az LHC 14 billió elektronvolton vagy Terra elektronvolton fog működni, amelyet TeV-nek neveznek. Tizennégy TeV egyenlő 1017 K-val, tehát 15 nagyságrenddel a Planck alatt.

miért segíthet az LHC ennek meghatározásában? Ahogy Brandenberger elmagyarázta nekem, a húrelmélet azt jósolja, hogy a téridőnek több mint négy dimenziója van, akár 10, akár 11. “Nos, a többi dimenzió, amely rejtve van számunkra, lehet nagyon—nagyon apró—lehet húrok vagy Planck skála-vagy pedig lehet TeV skála.”És ha ezek az extra méretek TeV-skálának bizonyulnak, akkor a legmagasabb hőmérséklet is TeV-skála lesz.

ha van egy legforróbb hőmérséklet, bármi is az, mit szólnál valami még forróbbhoz? Nem probléma!

megkérdeztem Alexandert, mit jelentene a fizika számára, ha a Planck-hőmérséklet TeV-skála lenne. “Istenem, ez lenne fajunk egyik legnagyobb áttörése-tudod, Einstein-dolog” – mondta. “Akkora lenne, mint maga a relativitáselmélet és a kvantummechanika felfedezése.”Brandenberger a maga részéről úgy gondolja, hogy” nagyon-nagyon hosszú lövés”, hogy a hőmérséklet felső végpontja TeV skála. Függetlenül attól, hogy kinek van igaza ebben a pontszámban—ha, valójában, bármelyik is van—körömharapóan izgalmas lesz látni, hogy mi származik az LHC-ből, amely a tervek szerint 2008-ban kezdi meg működését. Alexander azt mondja: “befektetettem a részvényeimet.”

versenyző #4-0 k

mintha legalább három különböző lehetséges ellentét az abszolút nullához nem lenne elég szüneteltetés, amit Alexander mondott nekem legközelebb, valóban forgatta a fejem. Bármi legyen is a legmagasabb hőmérséklet, azt mondta, lehet, hogy lényegében megegyezik a leghidegebb hőmérséklettel. “Más szavakkal, a nulla hőmérséklet bizonyos értelemben megegyezik a Planck hőmérsékletével.”

Gyere újra?

Alexander két lehetséges módot írt le az univerzum kezdetére. Vagy a Planck-hőmérsékleten volt, majd felfújták és lehűtötték, hogy létrehozzák azt, amit ma látunk. Vagy nulla hőmérsékleten indult, és felgyorsult, ahogy bővült. “Tehát a két helyzet egyike megtörténhetett volna-mondta -, és érdekes lenne, ha valóban mindkét helyzet valóban ugyanaz a mögöttes jelenség.”

vagyis a lehető leghidegebb hőmérséklet fizikája egyenértékű-e a lehető legforróbb hőmérséklet fizikájával? Figyelembe véve, hogy mindkét határon túl—az egyik alatt és a másik felett—tér és idő elkezdi megtenni ezeket a furcsa, ismeretlen dolgokat, Alexander úgy véli, hogy ez “logikus következtetés, logikus lehetőség. Miért ne?”

túl a túl

miért nem, valóban? Miután beszélgettem Alexanderrel és másokkal az ő ritka területén, bármire fel voltam készülve. Mit szólnál valami elméletileg forróbbhoz, mint a Planck? Persze! Megkérdeztem Jim Gates-t a Marylandi Egyetemről. “Csak annyit tudunk, hogy a Planck-hőmérséklet felett a szabályok megváltoznak, de … nem tudjuk, mire változnak a szabályok” – mondta. “Ha valaki ilyen következetes szabályokat talál ki, akkor igen, elképzelhető, hogy melegebb hőmérséklet lesz.”

mit szólnál egy határtalanul magas hőmérséklethez? Zseniális! Végül is a klasszikus általános relativitáselmélet végtelenül magas hőmérsékletet igényel az univerzum legelején, valamint a fekete lyukak legközéppontjában, a szingularitásban.

vagy ha van egy legforróbb hőmérséklet, bármi is legyen, mit szólnál valami még melegebbhez? Nem probléma! Elméletileg létezhet melegebb hőmérséklet, mint a legforróbb hőmérséklet—ez negatív hőmérséklet. Ahogy Charles Kittel és Herbert Kroemer a Thermal Physics című klasszikus szövegükben írják: “a hőmérséklet skála hidegtől melegig +0 K,…, +300 K,…, + Kb K, – K,…, -300 K,…, -0 K.”

szinte szédült, ismét Arlin Crottshoz fordultam segítségért. Ha elméletileg a Planck felett végtelenül magas hőmérsékletre megy, akkor a következő lépés a végtelenen túl mínusz végtelen? “Nos, már nem a termikus eloszlásról beszélünk” – mondta, ” de ha tovább nyomod, akkor alapvetően átmész a végtelenen a mínusz végtelenig, majd a másik oldalra kerülsz.”Wow! “Amire igazán figyelned kellene-tette hozzá -, az az 1 per T, mert az egyik a végtelen felett , a másik a mínusz végtelen felett alapvetően ugyanaz a dolog.”Teljesen!

5. versenyző – ki a fene tudja?

mint sejteni lehetett, addigra a fizikusok elveszítettek—ha nem is a legelején. Kiestem a komfortzónámból.

végül talán a legjobb válasz a kérdésemre Lee Smolintól származott, az ontariói Waterloo-i Perimeter Institute for Teoretical Physics-től. “Lehet, hogy a legtöbb, amit el tudsz mondani, az az, hogy fennáll annak a lehetősége, hogy a lehető legmagasabb hőmérséklet van” – mondta nekem. “De hadd töprengjek rajta….”