Absolute Hot

ta emot e-postmeddelanden om kommande NOVA-program och relaterat innehåll, samt presenterade rapporter om aktuella händelser genom en science lens.

va? du frågar. Ja, det var så jag kände mig. Och frågan rör sig inte bara med fysikdummernas sinnen som jag. Flera fysiker bad om att försöka svara på det och hänvisade mig till kollegor. Även de som pratade om det sa saker som ”det är lite ur min komfortzon” och ”jag tror att jag skulle vilja idissla över det.”Efter att jag ställde det till en kosmolog, var det död tystnad i andra änden av linjen tillräckligt länge för att jag undrade om vi hade ett tappat samtal.

Jag hade rört en nerv, för att jag inte känner till frågan om högsta temperatur kommer till hjärtat av aktuella förfrågningar och föreslagna teorier inom kosmologi och teoretisk fysik. Faktum är att forskare som arbetar inom dessa områden ivrigt försöker svara på den frågan. Varför? För på något sätt vilar inget mindre än fysikens framtida kurs på svaret.

Contender # 1-1032 K

vissa kosmologiska modeller, inklusive den som har haft svängning i årtionden, standardmodellen, ställer en teoretisk högsta temperatur. Det kallas Planck-temperaturen, efter den tyska fysikern Max Planck, och det motsvarar cirka 100 miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner grader, eller 1032 Kelvin. ”Det är löjligt är vad det är”, sa Columbia fysiker Arlin Crotts när jag frågade honom om han kunde snälla sätta det numret i perspektiv för mig. ”Det är en miljard miljarder gånger den största temperaturen som vi måste tänka på” (i gamma-ray bursts och quasars, till exempel). Det hjälpte.

sanningsenligt, när man överväger Planck temperaturen, du kan glömma perspektiv. Alla vanliga villkor för mycket hetbrännande, broiling, helvete, sätt in din favorit här—bevisa löjligt otillräckligt. Kort sagt, att säga 1032 K är varmt är som att säga att universum upptar lite utrymme.

Oavsett den högsta temperaturen kan den i huvudsak motsvara den kallaste temperaturen.

i konventionell fysik – det vill säga den typ som bygger på Einsteins teori om allmän relativitet för att beskriva den mycket stora och kvantmekaniken för att beskriva den mycket små—Planck temperaturen uppnåddes 10-43 sekunder efter Big Bang Kom igång. I det ögonblicket, känt som en Planck-tid, tros hela universum ha varit Plancklängden, eller 10-35 meter. (I fysik är Max Planck kungen av den eponymous.) En väldigt hög temperatur i ett väldigt litet utrymme på en väldigt kort tid efter … ja, efter vad? Det är förmodligen en ännu större fråga-Hur började universum?- och vi åker inte dit.

en tegelvägg

Planck-temperaturen är den högsta temperaturen i konventionell fysik eftersom konventionell fysik bryts ner vid den temperaturen. Över 1032 K – det vill säga tidigare än en Planck—tid-beräkningar visar att konstiga saker, okända saker, börjar hända med fenomen som vi håller nära och kära, som rum och tid. Teorin förutspår att partikelenergier blir så stora att gravitationskrafterna mellan dem blir lika starka som alla andra krafter. Det vill säga gravitationen och de andra tre grundläggande krafterna i universum—elektromagnetism och de starka och svaga kärnkrafterna—blir en enda enhetlig kraft. Att veta hur det händer, den så kallade ”teorin om allt”, är den teoretiska fysikens heliga gral idag.

”Vi vet inte tillräckligt om gravitationens kvantkaraktär ens för att spekulera intelligent om universums historia före denna tid”, skriver Nobelpristagaren Steven Weinberg om detta ögonblick mot en tegelvägg i sin bok de första tre minuterna. ”Oavsett vad andra slöjor kan ha lyfts, finns det en slöja, vid en temperatur av 1032 K, som fortfarande döljer vår syn på de tidigaste tiderna.”Tills någon kommer upp med en allmänt accepterad kvantteori om gravitation, kommer Planck-temperaturen, för konventionella fysiker som Steven Weinberg, att förbli den högsta temperaturen.

Contender # 2-1030 K

strängteoretiker, de fysiker som tror att universum som mest grundläggande består inte av partiklar utan av små, vibrerande strängar, har sin egen temperatur. Jag pratade med Robert Brandenberger, en teoretisk kosmolog vid McGill University i Montreal. Tillsammans med Harvard-strängteoretikern Cumrun Vafa har Brandenberger föreslagit en modell av det tidiga universum som är helt annorlunda än traditionella Big Bang-modeller. (Jag bör notera att det finns många modeller där ute; jag berör bara några få här.)

kallas stränggas kosmologi, denna modell ställer en Maximal temperatur som kallas Hagedorn temperatur. (Den är uppkallad efter den sena tyska fysikern Rolf Hagedorn.) ”Detta är den maximala temperaturen som strängteori förutsäger,” berättade Brandenberger för mig. Medan strängteoretiker inte ger ett specifikt nummer för Hagedorn-temperaturen, har Brandenberger skäl att tro att det handlar om en procent av sin teoretiska kusin, Planck. Det gör det ungefär 1030 K, eller två storleksordningar under Planck.

Contender #3-1017 K

Jag lärde mig ännu en högsta möjliga temperatur från Brandenbergers tidigare doktorand, Stephon Alexander. Nu biträdande professor i fysik vid Penn State, Alexander är en av många fysiker som ivrigt väntar på den dag som tjänstemän vid CERN på den Schweizisk-franska gränsen växlar på Large Hadron Collider, världens största partikelaccelerator.

en anledning till att de är upphetsade har att göra med temperaturen. Som Alexander sa till mig, ” det kan vara att temperaturen är—som jag tror—temperaturen eller energin precis runt den energi som LHC kommer att undersöka.”LHC kommer att fungera vid 14 biljoner elektronvolt, eller terra elektronvolt, betecknad TeV. Fjorton TeV är lika med 1017 K, alltså 15 storleksordningar under Planck.

Varför kan LHC hjälpa till att bestämma detta? Som Brandenberger förklarade för mig förutspår strängteori att rymdtid har mer än fyra dimensioner, antingen 10 eller 11. ”Nu kan de andra dimensionerna, som är dolda för oss, antingen vara väldigt, väldigt små—de kan vara strängar eller Planck—skala-eller annars kan de vara TeV-skala.”Och om dessa extra dimensioner visar sig vara TeV-skala, säger han, då kommer den översta temperaturen också att vara TeV-skala.

om det finns en hetaste temperatur, vad det än är, vad sägs om något ännu varmare? Inga problem!

Jag frågade Alexander vad det skulle betyda för fysiken om Planck-temperaturen visade sig vara TeV-skala. ”Åh min Gud, det här skulle vara ett av de största genombrotten av vår art—du vet, Einstein saker,” sa han. ”Det skulle vara lika stort som upptäckten av relativitet och kvantmekanik själv.”Brandenberger tycker för sin del att det är ett ”väldigt, väldigt långt skott” att temperaturens övre Terminal är TeV-skala. Oavsett vem som har rätt på den här poängen—om det faktiskt är det-kommer det att vara nagelbitande spännande att se vad som uppstår från LHC, som är slated för att börja fungera 2008. Säger Alexander: ”jag har investerat mitt lager.”

Contender #4-0 K

som om minst tre olika möjliga motsatser till absolut noll inte pausade nog, vad Alexander sa till mig nästa satte verkligen mitt huvud att snurra. Oavsett den högsta temperaturen är, sa han, det kan bara vara väsentligen likvärdigt med den kallaste temperaturen. ”Med andra ord är nolltemperaturen densamma, på sätt och vis, som Planck-temperaturen.”

Kom igen?

Alexander beskrev två potentiella sätt som universum började. Antingen var det vid Planck-temperaturen och blåste sedan upp och kyldes för att skapa det vi ser idag. Eller det började vid noll temperatur och påskyndades när det expanderade. ”Så en av två situationer kunde ha hänt, ”sade han,” och det skulle vara intressant om båda situationerna verkligen är samma underliggande fenomen.”

det vill säga, kan fysiken med den kallaste möjliga temperaturen motsvara fysiken med den hetaste möjliga temperaturen? Med tanke på att bortom båda gränserna—under den ena och över den andra—rum och tid börjar göra dessa konstiga, okända saker, Alexander anser att det är ”en logisk slutsats, en logisk möjlighet. Varför inte?”

bortom bortom

varför inte, verkligen? Efter att ha pratat med Alexander och andra i hans sällsynta fält, jag var ute efter någonting. Vad sägs om något teoretiskt varmare än Planck? Visst! Jag frågade Jim Gates från University of Maryland. ”Allt vi vet är att över Planck-temperaturen ändras reglerna, men … vi vet inte vad reglerna ändras till,” sa han. ”Om någon räknar ut sådana konsekventa regler, ja, det är tänkbart att det blir varmare temperaturer.”

vad sägs om en gränslöst hög temperatur? Toppen! När allt kommer omkring kräver klassisk generell relativitet en oändligt hög temperatur i början av universum, liksom i den centrala punkten, singulariteten, av svarta hål.

eller, om det finns en hetaste temperatur, vad det än är, vad sägs om något ännu varmare? Inga problem! I teorin kan en varmare temperatur än en hetaste temperatur existera—det är en negativ temperatur. Som Charles Kittel och Herbert Kroemer skriver i sin klassiska text Thermal Physics, ” temperaturskalan från kalla till heta körningar + 0 K,…, + 300 K,…, + K, – K, …, -300 K,…, -0 K.”

nästan svindlande nu vände jag mig igen till Arlin Crotts för att få hjälp. Om du teoretiskt sett går över Planck till en oändligt hög temperatur, är nästa steg bortom oändligheten minus oändlighet? ”Tja, du pratar inte om termisk fördelning längre,” sa han, ”men om du fortsätter att trycka på det, går du i princip genom oändligheten till minus oändligheten och kommer sedan runt på andra sidan.”Wow! ”Vad du verkligen borde vara uppmärksam på, ”tillade han,” är 1 över T, för en över oändlighet och en över minus oändlighet är i princip samma sak.”Helt!

Contender # 5-Vem fan vet?

som du kanske gissat hade fysikerna förlorat mig-om inte i början. Jag var långt ut ur min komfortzon.

i slutändan kom kanske det bästa svaret på min fråga från Lee Smolin från Perimeter Institute for Theoretical Physics I Waterloo, Ontario. ”Det kan vara så att det mesta du kommer att kunna säga är att det finns en möjlighet att det finns högsta möjliga temperatur”, sa han till mig. ”Men låt mig fundera över det….”