Absolute Hot

ty pytasz. Tak właśnie się czułam. I to pytanie nie zadziera z umysłami takich fizyków jak ja. Kilku fizyków błagało o odpowiedź, odsyłając mnie do kolegów. Nawet ci, którzy o tym mówili, mówili takie rzeczy, jak „to trochę poza moją strefą komfortu” i „myślę, że chciałbym to przemyśleć.”Po tym, jak postawiłem to jednemu kosmologowi, na drugim końcu linii była martwa cisza na tyle długo, że zastanawiałem się, czy nie mamy przerwanego połączenia.

dotknąłem nerwu, bo bez mojej wiedzy pytanie o najwyższą temperaturę trafia do serca aktualnych badań i proponowanych teorii w kosmologii i fizyce teoretycznej. Naukowcy pracujący w tych dziedzinach gorliwie starają się odpowiedzieć na to pytanie. Dlaczego? Ponieważ, w pewnym sensie, nie mniej niż przyszły kierunek fizyki opiera się na odpowiedzi.

Contender #1-1032 K

niektóre modele kosmologiczne, w tym ten, który panuje od dziesięcioleci, Model Standardowy, zakładają teoretyczną najwyższą temperaturę. Nazywa się to temperaturą Plancka, od niemieckiego fizyka Maxa Plancka, i wynosi około 100 milionów milionów milionów milionów stopni, czyli 1032 kelwinów. „To niedorzeczne”, powiedział fizyk Columbia Arlin Crotts, gdy zapytałem go, czy mógłby umieścić ten numer w perspektywie dla mnie. „Jest to miliard miliardów razy największa Temperatura, o której musimy myśleć „(na przykład w rozbłyskach gamma i kwazarach). To pomogło.

rozważając temperaturę Plancka można zapomnieć o perspektywie. Wszystkie zwykłe terminy bardzo gorące-upalne, pieczone, piekielne, wstaw swoje ulubione tutaj-okazują się absurdalnie niewystarczające. Mówiąc krótko, powiedzenie, że 1032 K jest gorące, jest jak powiedzenie, że wszechświat zajmuje trochę przestrzeni.

niezależnie od tego, jaka jest najwyższa temperatura, może ona być zasadniczo równoważna najzimniejszej temperaturze.

w fizyce konwencjonalnej—czyli takiej, która opiera się na ogólnej teorii względności Einsteina, aby opisać bardzo duże i mechanice kwantowej, aby opisać bardzo małe—Temperatura Plancka została osiągnięta 10-43 sekundy po rozpoczęciu Wielkiego Wybuchu. W tym momencie, znanym jako jeden czas Plancka, uważa się, że cały wszechświat miał długość Plancka, czyli 10-35 metrów. (W fizyce, Max Planck jest królem tytułowego.) Strasznie wysoka temperatura na strasznie małej przestrzeni w strasznie krótkim czasie po … NO, po czym? To prawdopodobnie jeszcze większe pytanie-Jak powstał wszechświat?- i nie pójdziemy tam.

ceglany mur

Temperatura Plancka jest najwyższą temperaturą w fizyce konwencjonalnej, ponieważ fizyka konwencjonalna rozkłada się w tej temperaturze. Powyżej 1032 K-czyli wcześniej niż jeden Planck time-obliczenia pokazują, że dziwne rzeczy, nieznane rzeczy, zaczynają się zdarzać zjawiskom, które są nam bliskie i bliskie, jak przestrzeń i czas. Teoria przewiduje, że energie cząstek stają się tak duże, że siły grawitacyjne między nimi stają się tak silne, jak wszelkie inne siły. Oznacza to, że grawitacja i pozostałe trzy podstawowe siły wszechświata—elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe—stają się jedną zjednoczoną siłą. Wiedząc, jak to się dzieje, tak zwana „teoria wszystkiego” jest świętym graalem fizyki teoretycznej dzisiaj.

„nie wiemy wystarczająco dużo o kwantowej naturze grawitacji, nawet aby inteligentnie spekulować na temat historii wszechświata sprzed tego czasu”, pisze laureat Nagrody Nobla Steven Weinberg o tej błyskawicznej walce z ceglaną ścianą w swojej książce The First three Minutes. „Tak więc, jakiekolwiek inne zasłony mogły zostać podniesione, jest jedna zasłona, w temperaturze 1032 K, która nadal zasłania nasz pogląd na najwcześniejsze czasy.”Dopóki ktoś nie wymyśli powszechnie przyjętej kwantowej teorii grawitacji, Temperatura Plancka, dla konwencjonalnych fizyków, takich jak Steven Weinberg, pozostanie najwyższą temperaturą.

Contender #2-1030 K

teoretycy strun, Ci fizycy, którzy wierzą, że wszechświat nie składa się z cząstek, ale z maleńkich, wibrujących strun, mają własne podejście do temperatury. Rozmawiałem z Robertem Brandenbergerem, teoretycznym kosmologiem z McGill University w Montrealu. Wraz z Harvard string theorist Cumrun Vafa, Brandenberger zaproponował model wczesnego wszechświata, który różni się od tradycyjnych modeli Wielkiego Wybuchu. (Powinienem zauważyć, że istnieje wiele modeli; dotykam tylko kilku tutaj.)

nazywany kosmologią gazu strunowego, model ten zakłada maksymalną temperaturę zwaną temperaturą Hagedorna. Nazwa pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Rolfa Hagedorna.) „Jest to Maksymalna temperatura, którą przewiduje teoria strun”, powiedział mi Brandenburger. Podczas gdy teoretycy strun nie podają konkretnej liczby dla temperatury Hagedorna, Brandenburger ma powody, aby sądzić, że jest to około jeden procent jego teoretycznego kuzyna, Plancka. To daje około 1030 K, czyli dwa rzędy wielkości poniżej Plancka.

Contender #3-1017 K

dowiedziałem się o jeszcze jednej najwyższej możliwej temperaturze od byłego studenta Brandenburgii, Stephona Alexandra. Obecnie adiunkt fizyki w Penn State, Alexander jest jednym z wielu fizyków, którzy z niecierpliwością oczekują dnia, w którym urzędnicy w CERN na granicy szwajcarsko-francuskiej włączą Wielki Zderzacz Hadronów, największy na świecie akcelerator cząstek.

jeden powód, dla którego są podekscytowani, ma związek z temperaturą. Jak powiedział mi Alexander: „być może temperatura jest—jak wierzę-temperaturą lub energią wokół energii, którą LHC będzie badać.”LHC będzie działać z prędkością 14 bilionów elektronowoltów, lub terra elektronowoltów, oznaczonych TeV. Czternaście TeV równa się 1017 K, a więc 15 rzędów wielkości poniżej Plancka.

Dlaczego LHC może pomóc w ustaleniu tego? Jak wyjaśnił mi Brandenburger, teoria strun przewiduje, że czasoprzestrzeń ma więcej niż cztery wymiary, 10 lub 11. „Teraz inne wymiary, które są nam Ukryte, mogą być albo bardzo, bardzo małe-mogą to być struny lub skala Plancka-albo mogą to być skala TeV.”A jeśli te dodatkowe wymiary okażą się skalą TeV, mówi, to najwyższa temperatura będzie również skalą TeV.

jeśli jest najgorętsza temperatura, cokolwiek to jest, co powiesz na coś jeszcze gorętszego? Nie ma sprawy!

zapytałem Aleksandra, co by to oznaczało dla fizyki, gdyby temperatura Plancka okazała się skalą TEV. „O mój Boże, to byłby jeden z największych przełomów naszego gatunku—wiesz, Einstein rzeczy,” powiedział. „Byłby tak duży, jak odkrycie teorii względności i mechaniki kwantowej.”Brandenburger ze swojej strony uważa, że jest to” bardzo, bardzo długi strzał”, że górny koniec temperatury to skala TeV. Niezależnie od tego, kto ma rację co do tego wyniku—jeśli w rzeczywistości albo jest—będzie to bardzo napięte, aby zobaczyć, co powstaje z LHC, który ma rozpocząć działanie w 2008 roku. Mówi Alexander: „zainwestowałem swoje akcje.”

Contender #4-0 K

jakby co najmniej trzy różne możliwe przeciwieństwa do zera absolutnego nie były wystarczająco pauzujące, to, co powiedział mi Alexander, naprawdę kręci mi się w głowie. Niezależnie od tego, jaka jest najwyższa temperatura, powiedział, że może, po prostu może być zasadniczo równoważna najzimniejszej temperaturze. „Innymi słowy, temperatura zerowa jest w pewnym sensie taka sama jak temperatura Plancka.”

znowu?

Aleksander opisał dwa potencjalne sposoby powstania wszechświata. Albo był w temperaturze Plancka, a następnie napompowany i schłodzony, aby stworzyć to, co widzimy dzisiaj. Albo zaczęło się w zerowej temperaturze i przyspieszyło w miarę rozwoju. „Tak więc jedna z dwóch sytuacji mogła się zdarzyć” – powiedział – ” i byłoby interesujące, gdyby rzeczywiście obie sytuacje były tak naprawdę tym samym podstawowym zjawiskiem.”

czyli czy fizyka najzimniejszej możliwej temperatury może być równoważna fizyce najgorętszej możliwej temperatury? Biorąc pod uwagę, że poza obiema granicami-poniżej jednej i ponad drugą-przestrzeń i czas zaczynają robić te dziwne, nieznane rzeczy, Alexander uważa, że jest to ” logiczny wniosek, logiczna możliwość. Dlaczego nie?”

Beyond the beyond

Dlaczego nie? Po rozmowie z Aleksandrem i innymi w jego rozrzedzonej dziedzinie, byłem gotowy na wszystko. Co powiesz na coś teoretycznie gorętszego niż Planck? Jasne! Zapytałem Jima Gatesa z Uniwersytetu Maryland. „Wszystko, co wiemy, to to, że powyżej temperatury Plancka zmieniają się zasady, ale … nie wiemy, na co zmieniają się zasady” – powiedział. „Jeśli ktoś wymyśli takie spójne zasady, to tak, można sobie wyobrazić, że będą cieplejsze temperatury.”

Co powiesz na bezgranicznie wysoką temperaturę? Świetnie! W końcu klasyczna ogólna teoria względności wymaga nieskończenie wysokiej temperatury na samym początku wszechświata, a także w najbardziej centralnym punkcie, osobliwości czarnych dziur.

lub, jeśli jest najgorętsza temperatura, cokolwiek to jest, co powiesz na coś jeszcze gorętszego? Nie ma sprawy! Teoretycznie temperatura gorętsza niż temperatura najgorętsza może istnieć-jest to temperatura ujemna. Jak pisze Charles Kittel i Herbert Kroemer w swoim klasycznym tekście Fizyka termiczna, ” Skala temperatury od zimnego do gorącego przebiega +0 K,…, +300 K,…, + ∞ K, – ∞ K,…, -300 K,…, -0 K.”

już prawie zawzięcie, znów zwróciłem się o pomoc do Arlin Crotts. Jeśli teoretycznie przekroczysz Plancka do nieskończenie wysokiej temperatury, następny krok poza nieskończoność będzie minus nieskończoność? „Cóż, nie mówisz już o rozkładzie termicznym,” powiedział ,” ale jeśli nadal naciskasz, to w zasadzie przechodzisz przez nieskończoność do minus nieskończoności, a następnie odwracasz się po drugiej stronie.”Wow! „To, na co naprawdę powinniście zwrócić uwagę, „dodał,” to 1 przez T, ponieważ jeden przez nieskończoność i jeden przez minus nieskończoność to w zasadzie to samo.”Całkowicie!

Contender #5-Who the heck knows?

jak można się domyślić, w tym momencie fizycy mnie stracili—jeśli nie na samym początku. Byłem poza moją strefą komfortu.

w końcu, być może najlepsza odpowiedź na moje pytanie pochodzi od Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo, Ontario. „Być może najbardziej będziesz w stanie powiedzieć, że istnieje możliwość, że jest najwyższa możliwa temperatura”, powiedział mi. „Ale pozwól mi to przemyśleć….”