Absolute Hot

Motta e-post om kommende NOVA programmer og relatert innhold, samt omtalt rapportering om aktuelle hendelser gjennom en vitenskap linse.

Huh? du spør. Ja, det var sånn jeg følte det. Og spørsmålet roter ikke bare med hodet til fysikkdummier som meg. Flere fysikere ba seg om å prøve å svare på det, og refererte meg til kolleger. Selv de som snakket om det sa ting som «Det er litt ut av min komfortsone» og » jeg tror jeg vil gjerne gruble over det.»Etter at jeg stilte det til en kosmolog, var det død stillhet i den andre enden av linjen lenge nok til at jeg lurte på om vi hadde et tapt anrop.jeg hadde rørt en nerve, fordi, ukjent for meg, kommer det høyeste temperaturspørsmålet til hjertet av nåværende henvendelser og foreslåtte teorier i kosmologi og teoretisk fysikk. Faktisk prøver forskere som jobber på disse feltene å forsøke å svare på det spørsmålet. Hvorfor? Fordi, på en måte, hviler intet mindre enn fysikkens fremtidige kurs på svaret.

Contender #1-1032 K

visse kosmologiske modeller, inkludert Den Som har hatt sving i flere tiår, Standardmodellen, gir en teoretisk høyeste temperatur. Den kalles Planck-temperaturen, etter den tyske fysikeren Max Planck, og den tilsvarer omtrent 100 millioner millioner millioner millioner grader, eller 1032 Kelvin. «Det er latterlig er hva det er,» Sa Columbia fysiker Arlin Crotts da jeg spurte ham om han kunne sette det nummeret i perspektiv for meg. «Det er en milliard milliarder ganger den største temperaturen vi må tenke på» (for eksempel i gammaglimt og kvasarer). Det hjalp.

Sannferdig, når du vurderer Planck-temperaturen, kan du glemme perspektiv. Alle de vanlige vilkårene for veldig varmt-brennende—broiling, helvete, sett inn din favoritt her-bevise latterlig utilstrekkelig. Kort sagt, å si 1032 K er varmt er som å si at universet opptar litt plass.

uansett hva den høyeste temperaturen er, kan den i hovedsak være ekvivalent med den kaldeste temperaturen.

i konvensjonell fysikk-det vil si den typen Som stoler På Einsteins teori om generell relativitet for å beskrive den svært store og kvantemekanikken for å beskrive den svært små-Planck-temperaturen ble nådd 10-43 sekunder etter At Big Bang kom i gang. På det øyeblikket, kjent som En Planck-tid, antas hele universet Å ha Vært Planck-lengden, eller 10-35 meter. (I fysikk Er Max Planck kongen av eponymous.) En veldig høy temperatur i en veldig liten plass i en veldig kort tid etter … vel, etter hva? Det er uten tvil et enda større spørsmål-hvordan begynte universet?- og vi drar ikke dit.

en murvegg

Planck-temperaturen er den høyeste temperaturen i konvensjonell fysikk fordi konvensjonell fysikk bryter ned ved den temperaturen. Over 1032 K—det vil si tidligere Enn En Planck—tid-beregninger viser at merkelige ting, ukjente ting, begynner å skje med fenomener vi holder nær og kjære, som rom og tid. Teorien forutsier at partikkelenergier blir så store at gravitasjonskreftene mellom dem blir like sterke som andre krefter. Det vil si at tyngdekraften og de tre andre grunnleggende kreftene i universet—elektromagnetisme og de sterke og svake atomkreftene—blir en enkelt enhetlig kraft. Å vite hvordan det skjer, den såkalte «teorien om alt», er den hellige gral av teoretisk fysikk i dag.»Vi vet ikke nok om gravitasjonens kvante natur til å spekulere intelligent om universets historie før denne tiden,» skriver Nobelprisvinner Steven Weinberg om dette opp-mot-en-murvegg-øyeblikk i sin bok De Første Tre Minuttene. «Uansett hva andre slør kan ha blitt løftet, er det et slør, ved en temperatur på 1032 K, som fortsatt skjuler vårt syn på de tidligste tider.»Inntil noen kommer opp med en allment akseptert kvanteteori om tyngdekraften, Vil Planck-temperaturen, for konvensjonelle fysikere Som Steven Weinberg, forbli den høyeste temperaturen.

Contender #2-1030 K

Strengteoretikere, de fysikerne som tror at universet på sitt mest grunnleggende består ikke av partikler, men av små, vibrerende strenger, har sin egen ta på temperatur. Jeg snakket Med Robert Brandenberger, en teoretisk kosmolog Ved McGill University I Montreal. Sammen Med Harvard strengteoretiker Cumrun Vafa har Brandenberger foreslått en modell av det tidlige universet som er ganske forskjellig fra tradisjonelle Big Bang-modeller. (Jeg bør merke seg at det er mange modeller der ute; jeg berører bare noen få her.)

kalt strenggasskosmologi, denne modellen gir en maksimal temperatur kalt Hagedorn-temperaturen. Den er oppkalt etter Den tyske fysikeren Rolf Hagedorn.) «Dette er den maksimale temperaturen som strengteori forutser,» Fortalte Brandenberger meg. Mens strengteoretikere ikke gir et bestemt nummer For Hagedorn-temperaturen, Har Brandenberger grunner til å tro at det handler om en prosent av sin teoretiske fetter, Planck. Det gjør det om 1030 K, eller to størrelsesordener under Planck.

Kandidat #3-1017 K

Jeg lærte om Enda en høyest mulig temperatur fra Brandenberger tidligere graduate student, Stephon Alexander. Nå en assisterende professor i fysikk Ved Penn State, Er Alexander En av mange fysikere som ivrig venter på dagen som tjenestemenn VED CERN på Den Sveitsisk-franske grensen slår På Large Hadron Collider, verdens største partikkelakselerator.

en grunn til at de er begeistret har å gjøre med temperatur. Som Alexander fortalte meg, » det kan være at temperaturen er—som jeg tror-temperaturen eller energien rett rundt energien SOM LHC vil undersøke.»LHC vil operere på 14 billioner elektron volt, eller terra elektron volt, betegnet TeV. Fjorten TeV er lik 1017 K, dermed 15 størrelsesordener under Planck.

HVORFOR KAN LHC bidra til å bestemme dette? Som Brandenberger forklarte meg, forutser strengteori at romtid har mer enn fire dimensjoner, enten 10 eller 11. «Nå kan de andre dimensjonene, som er skjult for oss, enten være veldig, veldig små – de kan være strenger eller Planck skala-ellers kan De Være TeV skala.»Og hvis disse ekstra dimensjonene viser Seg Å Være TeV-skala, sier han, så vil Den øverste temperaturen Også Være TeV-skala.

hvis det er en heteste temperatur, uansett hva det er, hva med noe enda varmere? Ikke noe problem!

jeg spurte Alexander hva det ville bety for fysikk hvis Planck-temperaturen viste Seg Å Være TeV-skala. «Å, Min Gud, dette ville være en av de største gjennombruddene av vår art – Du vet, Einstein ting,» sa han. «Det ville være like stort som oppdagelsen av relativitet og kvantemekanikk selv. Brandenberger, for sin del, mener det er et «veldig, veldig langt skudd» at temperaturens øvre ende er TeV-skala. Uansett hvem som har rett på denne poengsummen-hvis det faktisk er det, vil det være spikerbitende spennende å se hva som oppstår fra LHC, som er planlagt å starte operasjonen i 2008. Sier Alexander: «jeg har investert aksjene mine.»

Contender #4-0 K

Som om minst tre forskjellige mulige motsetninger til absolutt null ikke var pause-gi nok, Hva Alexander fortalte meg neste virkelig satt hodet spinne. Uansett hva den høyeste temperaturen er, sa han, det kan, bare kan være i hovedsak tilsvarer den kaldeste temperaturen. «Med andre ord er null temperatur det samme, på en måte som Planck-temperaturen.»

Kom igjen?Alexander beskrev to mulige måter universet begynte på. Enten var Det På Planck-temperaturen og deretter oppblåst og avkjølt for å skape det vi ser i dag. Eller det startet ved null temperatur og fart opp som det utvidet. «Så en av to situasjoner kunne ha skjedd, «sa han,» og det ville være interessant om begge situasjonene egentlig er det samme underliggende fenomenet.»

Det vil si, kan fysikken til den kaldeste mulige temperaturen være ekvivalent med fysikken til den varmeste mulige temperaturen? Tatt i betraktning at utover begge grensene—under den ene og over den andre-plass og tid begynner å gjøre de merkelige, ukjente ting, Alexander mener Det er » en logisk konklusjon, en logisk mulighet. Hvorfor ikke?»

Utover det hinsides

Hvorfor ikke, faktisk? Etter å ha chattet Med Alexander og andre i hans sjeldne felt, var jeg opp for noe. Hva med noe teoretisk varmere Enn Planck? Klart! Jeg spurte Jim Gates Fra University Of Maryland. «Alt vi vet er at Over Planck-temperaturen endres reglene, men … vi vet ikke hva reglene endres til,» sa han. «Hvis noen finner ut slike konsekvente regler, så ja, det er tenkelig at det blir varmere temperaturer.»

Hva med en grenseløst høy temperatur? Flott! Tross alt krever klassisk generell relativitet en uendelig høy temperatur i universets begynnelse, så vel som i det sentrale punktet, singulariteten, av svarte hull.

Eller, hvis det er en heteste temperatur, uansett hva det er, hva med noe enda varmere? Ikke noe problem! I teorien kan en varmere temperatur enn en heteste temperatur eksistere—det er en negativ temperatur. Som Charles Kittel og Herbert Kroemer skriver I Sin klassiske Tekst Termisk Fysikk, » temperaturskalaen fra kald til varm løper + 0 K,…, + 300 K,…, + ∞ K, -300 K,…, -0 K.»

Nesten svimmel nå, jeg vendte Meg igjen Til Arlin Crotts for hjelp. Hvis du teoretisk sett går over Planck til en uendelig høy temperatur, er neste trinn utover uendelig minus uendelig? «Vel, du snakker ikke om termisk distribusjon lenger, «sa han,» men hvis du fortsetter å skyve den, går du i utgangspunktet gjennom uendelig over til minus uendelig og så kommer du rundt på den andre siden.»Wow! «Det du virkelig bør være oppmerksom på, «la han til,» er 1 Over T, fordi en over uendelig og en over minus uendelig er i utgangspunktet det samme.»Helt!

Contender # 5-Hvem pokker vet?

som du kanskje har gjettet, hadde fysikerne mistet meg-om ikke i begynnelsen. Jeg var langt ute av komfortsonen min.Til slutt kom Kanskje Det beste svaret på spørsmålet mitt Fra Lee Smolin fra Perimeter Institute For Theoretical Physics I Waterloo, Ontario. «Det kan være at det meste du skal kunne si er at det er en mulighet for at det er høyest mulig temperatur,» fortalte han meg. «Men la meg mull det over….»