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Eh? chiedi. Si’, e ‘cosi’ che mi sentivo. E la domanda non si confonde solo con le menti dei manichini di fisica come me. Diversi fisici hanno pregato di cercare di rispondere, riferendomi ai colleghi. Anche quelli che ne hanno parlato hanno detto cose come” È un po ‘ fuori dalla mia zona di comfort “e” Penso che mi piacerebbe rimuginare su di esso.”Dopo che l’ho posato a un cosmologo, c’era un silenzio morto dall’altra parte della linea abbastanza a lungo che mi chiedevo se avessimo ricevuto una chiamata.

Avevo toccato un nervo scoperto, perché, a mia insaputa, la questione della temperatura più alta arriva al cuore delle attuali indagini e delle teorie proposte in cosmologia e fisica teorica. In effetti, gli scienziati che lavorano in questi campi stanno cercando con zelo di rispondere a questa domanda. Perché? Perché, in un certo senso, niente di meno che il futuro corso di fisica si basa sulla risposta.

Contender # 1-1032 K

Alcuni modelli cosmologici, tra cui quello che ha tenuto influenza per decenni, il Modello Standard, pongono una temperatura massima teorica. Si chiama temperatura di Planck, dal fisico tedesco Max Planck, ed è uguale a circa 100 milioni di milioni di milioni di milioni di gradi, o 1032 Kelvin. “È ridicolo è quello che è”, ha detto il fisico della Columbia Arlin Crotts quando gli ho chiesto se poteva mettere quel numero in prospettiva per me. “È un miliardo di miliardi di volte la temperatura più grande a cui dobbiamo pensare” (nei lampi di raggi gamma e nei quasar, per esempio). Oh, mi ha aiutato.

Sinceramente, quando si contempla la temperatura di Planck, si può dimenticare la prospettiva. Tutti i soliti termini per molto caldo-cocente, alla griglia, infernale, inserisci il tuo preferito qui—si rivelano ridicolmente inadeguati. In breve, dire che 1032 K è caldo è come dire che l’universo occupa un po ‘ di spazio.

Qualunque sia la temperatura più alta, potrebbe essere essenzialmente equivalente alla temperatura più fredda.

Nella fisica convenzionale—cioè, il tipo che si basa sulla teoria della relatività generale di Einstein per descrivere il molto grande e la meccanica quantistica per descrivere il molto piccolo—la temperatura di Planck è stata raggiunta 10-43 secondi dopo l’inizio del Big Bang. In quell’istante, noto come un tempo di Planck, si pensa che l’intero universo fosse la lunghezza di Planck, o 10-35 metri. (In fisica, Max Planck è il re dell’omonimo.) Una temperatura terribilmente alta in uno spazio terribilmente piccolo in un tempo terribilmente breve dopo well beh, dopo cosa? Questa è probabilmente una domanda ancora più grande: come è iniziato l’universo?- e non ci andremo.

Un muro di mattoni

La temperatura di Planck è la temperatura più alta nella fisica convenzionale perché la fisica convenzionale si rompe a quella temperatura. Sopra 1032 K-cioè prima di un tempo di Planck—i calcoli mostrano che cose strane, cose sconosciute, cominciano ad accadere a fenomeni che teniamo vicini e cari, come lo spazio e il tempo. La teoria prevede che le energie delle particelle diventino così grandi che le forze gravitazionali tra di loro diventano forti come qualsiasi altra forza. Cioè, la gravità e le altre tre forze fondamentali dell’universo—l’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli—diventano un’unica forza unificata. Sapendo come ciò accade, la cosiddetta “teoria del tutto”, è il santo graal della fisica teorica di oggi.

“Non sappiamo abbastanza della natura quantistica della gravitazione nemmeno per speculare in modo intelligente sulla storia dell’universo prima di questo tempo”, scrive il premio Nobel Steven Weinberg su questo istante up-against-a-brick-wall nel suo libro The First Three Minutes. “Quindi, qualunque altro velo possa essere stato sollevato, c’è un velo, a una temperatura di 1032 K, che oscura ancora la nostra visione dei primi tempi.”Fino a quando qualcuno non arriva con una teoria quantistica ampiamente accettata della gravità, la temperatura di Planck, per i fisici convenzionali come Steven Weinberg, rimarrà la temperatura più alta.

Contender #2-1030 K

I teorici delle stringhe, quei fisici che credono che l’universo nella sua forma più fondamentale non sia costituito da particelle ma da minuscole corde vibranti, hanno la loro presa sulla temperatura. Ho parlato con Robert Brandenberger, un cosmologo teorico presso la McGill University di Montreal. Insieme al teorico delle stringhe di Harvard Cumrun Vafa, Brandenberger ha proposto un modello dell’universo primordiale molto diverso da quello dei modelli tradizionali del Big Bang. (Dovrei notare che ci sono molti modelli là fuori; Sto toccando solo alcuni qui.)

Chiamato cosmologia dei gas di stringa, questo modello postula una temperatura massima chiamata temperatura di Hagedorn. (Prende il nome dal defunto fisico tedesco Rolf Hagedorn.) “Questa è la temperatura massima che la teoria delle stringhe predice”, mi ha detto Brandenberger. Mentre i teorici delle stringhe non danno un numero specifico per la temperatura di Hagedorn, Brandenberger ha ragioni per pensare che sia circa l’uno per cento del suo cugino teorico, il Planck. Questo lo rende circa 1030 K, o due ordini di grandezza sotto il Planck.

Contender #3-1017 K

Ho appreso dell’ennesima temperatura più alta possibile dall’ex studente laureato di Brandenberger, Stephon Alexander. Ora assistente professore di fisica alla Penn State, Alexander è uno dei tanti fisici che attendono con impazienza il giorno in cui i funzionari del CERN sul confine svizzero-francese attivano il Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle del mondo.

Una ragione per cui sono eccitati ha a che fare con la temperatura. Come Alexander mi ha detto, ” Può essere che la temperatura sia—come credo-la temperatura o l’energia proprio attorno all’energia che l’LHC sonderà.”L’LHC opererà a 14 trilioni di elettronvolt, o terra electron volt, designato TeV. Quattordici TeV equivale a 1017 K, quindi 15 ordini di grandezza sotto il Planck.

Perché l’LHC potrebbe aiutare a determinare questo? Come mi ha spiegato Brandenberger, la teoria delle stringhe prevede che lo spazio-tempo abbia più di quattro dimensioni, 10 o 11. “Ora, le altre dimensioni, che ci sono nascoste, potrebbero essere molto, molto piccole – potrebbero essere stringhe o scala Planck-oppure potrebbero essere scala TeV.”E se queste dimensioni extra risultano essere in scala TeV, dice, allora anche la temperatura più alta sarà in scala TeV.

Se c’è una temperatura più calda, qualunque cosa sia, che ne dici di qualcosa di ancora più caldo? Nessun problema!

Ho chiesto ad Alexander cosa significherebbe per la fisica se la temperatura di Planck risultasse essere scala TeV. “Oh mio Dio, questa sarebbe una delle più grandi scoperte della nostra specie—sai, roba di Einstein”, ha detto. “Sarebbe grande quanto la scoperta della relatività e della meccanica quantistica stessa.”Brandenberger, da parte sua, pensa che sia un “tiro molto, molto lungo” che il capolinea superiore della temperatura sia la scala TeV. Indipendentemente da chi ha ragione su questo punteggio-se, in effetti, lo è-sarà un po ‘ di suspense vedere cosa nasce dall’LHC, che dovrebbe iniziare a funzionare nel 2008. Dice Alexander: “Ho investito le mie azioni.”

Contender #4-0 K

Come se almeno tre diversi possibili opposti allo zero assoluto non fossero abbastanza in pausa, quello che Alexander mi ha detto dopo mi ha davvero fatto girare la testa. Qualunque sia la temperatura più alta, ha detto, potrebbe, potrebbe essere essenzialmente equivalente alla temperatura più fredda. “In altre parole, la temperatura zero è la stessa, in un certo senso, della temperatura di Planck.”

Vieni di nuovo?

Alexander ha descritto due potenziali modi in cui l’universo ha avuto inizio. O era alla temperatura di Planck e poi gonfiato e raffreddato per creare ciò che vediamo oggi. O è iniziato a temperatura zero e accelerato mentre si espandeva. “Quindi una delle due situazioni potrebbe essere accaduta”, ha detto, ” e sarebbe interessante se, in effetti, entrambe le situazioni fossero davvero lo stesso fenomeno sottostante.”

Cioè, la fisica della temperatura più fredda possibile potrebbe essere equivalente alla fisica della temperatura più calda possibile? Considerando che oltre entrambi i limiti-sotto l’uno e sopra l’altro—lo spazio e il tempo iniziano a fare quelle cose strane e sconosciute, Alexander crede che sia “una conclusione logica, una possibilità logica. Perché no?”

Oltre l’aldilà

Perché no, davvero? Dopo aver chiacchierato con Alexander e altri nel suo campo rarefatto, ero per qualsiasi cosa. Che ne dici di qualcosa di teoricamente più caldo del Planck? Sicuramente! Ho chiesto a Jim Gates dell’Università del Maryland. “Tutto quello che sappiamo è che al di sopra della temperatura di Planck, le regole cambiano, ma … non sappiamo a cosa cambiano le regole”, ha detto. “Se qualcuno capisce regole così coerenti, allora sì, è concepibile che ci saranno temperature più calde.”

Che ne dici di una temperatura infinitamente alta? Forte! Dopo tutto, la relatività generale classica richiede una temperatura infinitamente alta all’inizio dell’universo, così come nel punto più centrale, la singolarità, dei buchi neri.

Oppure, se c’è una temperatura più calda, qualunque cosa sia, che ne dici di qualcosa di ancora più caldo? Nessun problema! In teoria, può esistere una temperatura più calda di una temperatura più calda-è una temperatura negativa. Come Charles Kittel e Herbert Kroemer scrivono nel loro classico testo Thermal Physics ,” La scala della temperatura dal freddo al caldo corre +0 K,…, + 300 K,…, + ∞ K, – ∞ K,…, -300 K,…, -0 K.”

Quasi stordito ora, mi sono rivolto di nuovo ad Arlin Crotts per chiedere aiuto. Se, teoricamente parlando, vai sopra il Planck a una temperatura infinitamente alta, il prossimo passo oltre l’infinito è meno infinito? “Beh, non stai più parlando della distribuzione termica”, ha detto, “ma se continui a spingerla, in pratica vai attraverso l’infinito fino a meno infinito e poi vieni dall’altra parte.”Wow! “Quello a cui dovresti davvero prestare attenzione”, ha aggiunto, ” è 1 su T , perché uno su infinito e uno su meno infinito sono fondamentalmente la stessa cosa.”Totalmente!

Contender # 5-Chi diavolo lo sa?

Come avrai intuito, a questo punto i fisici mi avevano perso—se non all’inizio. Ero fuori dalla mia zona di comfort.

Alla fine, forse la migliore risposta alla mia domanda è venuta da Lee Smolin del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Ontario. “Potrebbe essere che il massimo che sarai in grado di dire è che c’è la possibilità che ci sia una temperatura più alta possibile”, mi ha detto. “Ma lascia che ci ripensi….”