Absolute Hot

ontvang e-mails over aankomende NOVA-programma ‘ s en gerelateerde inhoud, evenals rapportages over actuele gebeurtenissen via een wetenschappelijke lens.

Huh? vraag jij het maar. Ja, zo voelde ik me. En de vraag knoeit niet alleen met de geesten van natuurkunde dummies zoals ik. Verschillende natuurkundigen wilden niet antwoorden en verwezen me naar collega ‘ s. Zelfs degenen die erover spraken zeiden dingen als “het is een beetje buiten mijn comfort zone” en “ik denk dat ik er over wil nadenken.”Nadat ik het aan een kosmoloog had geposeerd, was er lang genoeg dode stilte aan de andere kant van de lijn dat ik me afvroeg of we een telefoontje hadden laten vallen.

Ik had een gevoelige snaar geraakt, omdat, zonder dat ik het wist, de hoogste temperatuur vraag raakt de kern van de huidige onderzoeken en voorgestelde theorieën in de kosmologie en theoretische fysica. Inderdaad, wetenschappers die op deze gebieden werken, proberen die vraag ijverig te beantwoorden. Waarom? Omdat, in zekere zin, niets minder dan de toekomstige koers van de natuurkunde berust op het antwoord.

Contender # 1-1032 K

bepaalde kosmologische modellen, waaronder het model dat al tientallen jaren de scepter zwaait, het standaardmodel, stellen een theoretische hoogste temperatuur. Het heet De Planck-temperatuur, naar de Duitse natuurkundige Max Planck, en het is gelijk aan ongeveer 100 miljoen miljoen miljoen miljoen miljoen graden, of 1032 Kelvin. “Het is belachelijk is wat het is,” zei Columbia natuurkundige Arlin Crotts toen ik hem vroeg of hij kon alsjeblieft zet dat nummer in perspectief voor mij. “Het is een miljard miljard keer de grootste temperatuur waar we aan moeten denken” (in gammastraaluitbarstingen en quasars, bijvoorbeeld). Oh, dat hielp.

eerlijk gezegd, wanneer u de temperatuur van Planck bekijkt, kunt u perspectief vergeten. Alle gebruikelijke termen voor zeer heet-verzengend, grillig, hels, plaats je favoriet hier – blijken belachelijk ontoereikend. Kortom, zeggen dat 1032 K heet is, is hetzelfde als zeggen dat het universum wat ruimte inneemt.

wat de hoogste temperatuur ook is, het kan in wezen gelijk zijn aan de koudste temperatuur.

in de conventionele fysica—dat wil zeggen het soort dat steunt op Einsteins theorie van de algemene relativiteitstheorie om de zeer grote en kwantummechanica om de zeer kleine te beschrijven—werd de temperatuur van Planck bereikt 10-43 seconden nadat de oerknal op gang kwam. Op dat moment, bekend als één Planck-tijd, wordt gedacht dat het hele universum De Planck-lengte was, of 10-35 meter. (In de natuurkunde is Max Planck de koning van het gelijknamige. Een erg hoge temperatuur in een erg kleine ruimte in een erg korte tijd na … nou, na wat? Dat is misschien een nog grotere vraag-Hoe is het universum begonnen?- en daar gaan we niet heen.

een stenen muur

De Planck-temperatuur is de hoogste temperatuur in de conventionele fysica omdat de conventionele fysica bij die temperatuur afbreekt. Boven 1032 K-dat wil zeggen, eerder dan een Planck tijd—berekeningen laten zien dat vreemde dingen, onbekende dingen, beginnen te gebeuren met verschijnselen die we dichtbij en dierbaar houden, zoals ruimte en tijd. De theorie voorspelt dat deeltjesenergieën zo groot worden dat de gravitatiekrachten ertussen net zo sterk worden als alle andere krachten. Dat wil zeggen, de zwaartekracht en de andere drie fundamentele krachten van het universum—elektromagnetisme en de sterke en zwakke nucleaire krachten—worden één enkele verenigde kracht. Wetende hoe dat gebeurt, is de zogenaamde “theorie van alles”, de Heilige Graal van de theoretische natuurkunde van vandaag.”We weten niet genoeg over de kwantum natuur van zwaartekracht, zelfs niet om intelligent te speculeren over de geschiedenis van het universum voor deze tijd,” schrijft Nobelprijswinnaar Steven Weinberg over dit tegen een muur-instant in zijn boek The First Three Minutes. “Dus, welke andere sluiers ook mogen zijn opgeheven, er is een sluier, bij een temperatuur van 1032 K, dat nog steeds ons zicht op de vroegste tijden verduistert.”Totdat iemand met een algemeen aanvaarde kwantumtheorie van zwaartekracht komt, blijft de Planck-temperatuur, voor conventionele natuurkundigen als Steven Weinberg, de hoogste temperatuur.

Contender #2-1030 K

snaartheoretici, die natuurkundigen die geloven dat het heelal op zijn meest fundamentele bestaat niet uit deeltjes, maar uit kleine, trillende snaren, hebben hun eigen kijk op de temperatuur. Ik sprak met Robert Brandenberger, een theoretische kosmoloog aan McGill University in Montreal. Samen met Harvard snaartheoreticus Cumrun Vafa, heeft Brandenberger een model van het vroege universum voorgesteld dat heel anders is dan dat van traditionele Big Bang-modellen. (Ik moet er rekening mee dat er veel modellen die er zijn; Ik ben het aanraken van slechts een paar hier.)

genoemd string gas kosmologie, dit model stelt een maximum temperatuur genaamd de Hagedorn temperatuur. Het is vernoemd naar de Duitse natuurkundige Rolf Hagedorn.) “Dit is de maximale temperatuur die de snaartheorie voorspelt,” vertelde Brandenberger me. Terwijl snaartheoretici geen specifiek nummer geven voor de Hagedorn-temperatuur, heeft Brandenberger redenen om te denken dat het ongeveer één procent van zijn theoretische neef, de Planck, is. Dat maakt het ongeveer 1030 K, of twee ordes van grootte onder de Planck.

Contender #3-1017 K

Ik hoorde van een andere hoogst mogelijke temperatuur van Brandenberger ‘ s voormalige student, Stephon Alexander. Alexander, assistent-professor in de natuurkunde aan Penn State, is een van de vele natuurkundigen die met spanning wachten op de dag dat ambtenaren van CERN aan de Zwitsers-Franse grens de Large Hadron Collider inschakelen, ‘ s werelds grootste deeltjesversneller.

een reden waarom ze opgewonden zijn heeft te maken met de temperatuur. Zoals Alexander me vertelde, ” het kan zijn dat de temperatuur—zoals ik geloof—de temperatuur is of de energie rond de energie die de LHC zal onderzoeken.”De LHC zal werken op 14 biljoen elektronvolt, of Terra elektronvolt, aangeduid TeV. Veertien TeV staat gelijk aan 1017 K, dus 15 ordes van grootte onder de Planck.

waarom zou de LHC dit kunnen helpen bepalen? Zoals Brandenberger me uitlegde, voorspelt de snaartheorie dat ruimte-tijd meer dan vier dimensies heeft, 10 of 11. “Nu kunnen de andere dimensies, die voor ons verborgen zijn, heel, heel klein zijn—het kunnen snaren of Planck—schaal zijn-of anders kunnen ze tev-schaal zijn.”En als die extra dimensies TeV-schaal blijken te zijn, zegt hij, dan is de bovenste temperatuur ook TeV-schaal.

Als er een warmste temperatuur is, wat dan ook, wat dacht je van iets nog Heters? Geen probleem!

Ik vroeg Alexander wat het voor de natuurkunde zou betekenen als de temperatuur van Planck tev-schaal bleek te zijn. “Oh mijn God, dit zou een van de grootste doorbraken van onze soort—je weet wel, Einstein spul,” zei hij. “Het zou net zo groot zijn als de ontdekking van relativiteit en kwantummechanica zelf.”Brandenberger, van zijn kant, denkt dat het een” zeer, zeer lange kans ” dat de temperatuur bovenste eindpunt is TeV schaal. Ongeacht wie er gelijk heeft op dit punt—als, in feite, een van beide is—het zal spijkerbijtend spannend om te zien wat er ontstaat uit de LHC, die is gepland om te beginnen met de werking in 2008. Alexander: “Ik heb mijn aandelen geïnvesteerd.”

Contender #4-0 K

alsof ten minste drie verschillende mogelijke tegenpolen tot het absolute nulpunt niet genoeg pauze geven, wat Alexander vertelde me echt mijn hoofd draaien. Wat de hoogste temperatuur ook is, hij zei, het zou in wezen gelijk kunnen zijn aan de koudste temperatuur. “Met andere woorden, nultemperatuur is in zekere zin hetzelfde als De Planck-temperatuur.”

nog een keer?

Alexander beschreef twee mogelijke manieren waarop het universum begon. Of het was op de temperatuur van Planck en dan opgeblazen en afgekoeld om te creëren wat we vandaag zien. Of het begon bij nul temperatuur en versnelde toen het uitdijde. “Dus een van de twee situaties had kunnen gebeuren, “zei hij,” en het zou interessant zijn als, inderdaad, beide situaties zijn echt hetzelfde onderliggende fenomeen.”

dat wil zeggen, zou de fysica van de koudst mogelijke temperatuur gelijkwaardig kunnen zijn aan de fysica van de warmst mogelijke temperatuur? Gezien het feit dat voorbij beide grenzen—onder de ene en boven de andere-ruimte en tijd beginnen om die vreemde, onbekende dingen te doen, Alexander gelooft dat het “een logische conclusie, een logische mogelijkheid. Waarom niet?”

voorbij het voorbij

waarom niet, inderdaad? Na het chatten met Alexander en anderen in zijn verheven veld, Ik was voor alles. Wat dacht je van iets heter dan de Planck? Tuurlijk! Ik vroeg Jim Gates van de Universiteit van Maryland. “Alles wat we weten is dat boven de temperatuur van Planck, de regels veranderen, maar … we weten niet wat de regels veranderen,” zei hij. “Als iemand zulke consistente regels ontdekt, dan is het wel denkbaar dat er hogere temperaturen komen.”

wat dacht je van een grenzeloos hoge temperatuur? Geweldig! De klassieke algemene relativiteitstheorie vraagt immers om een oneindig hoge temperatuur aan het begin van het heelal, evenals in het middelpunt, de singulariteit, van zwarte gaten.

of, als er een heetste temperatuur is, wat dan ook, wat dacht je van iets nog Heters? Geen probleem! In theorie kan een hetere temperatuur dan een heetste temperatuur bestaan—het is een negatieve temperatuur. Zoals Charles Kittel en Herbert Kroemer in hun klassieke tekst Thermal Physics schrijven: “de temperatuurschaal van koud naar warm loopt +0 K, …, +300 K,…, + ∞ K, – ∞ K, …, -300 K,…, -0 K.”

bijna giddy nu, ik wendde me opnieuw tot Arlin Crotts voor hulp. Als je in theorie boven de Planck gaat tot een oneindig hoge temperatuur, is de volgende stap voorbij oneindigheid min oneindigheid? “Nou, je hebt het niet meer over thermische verdeling,” zei hij, “maar als je blijft duwen, ga je in principe door oneindigheid over naar min oneindigheid en dan kom je aan de andere kant.”Wow! “Waar je echt op moet letten, “voegde hij eraan toe,” is 1 gedeeld door T, omdat één gedeeld door oneindigheid en één gedeeld door min oneindigheid in principe hetzelfde zijn.”Helemaal!

Contender # 5-Wie weet?

zoals je misschien al geraden had, waren de natuurkundigen mij op dit moment kwijt—zo niet in het begin. Ik was ver uit mijn comfortzone.uiteindelijk kwam misschien wel het beste antwoord op mijn vraag van Lee Smolin van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario. “Het kan zijn dat het meeste wat je gaat om te kunnen zeggen is dat er een mogelijkheid dat er een hoogst mogelijke temperatuur,” vertelde hij me. “Maar laat me erover nadenken….”