Gibt es eine höchste Temperatur?

Kälter als -273,15 Grad Celsius (0 Kelvin) kann es nicht werden. Das begründet die Physik damit, dass Temperatur ein Maß für die kinetische Energie von Teilchen ist, also etwas darüber sagt, wie schnell sie sich bewegen. Wenn sämtliche Bewegung aufhört, haben wir das Minimum der Temperaturskala erreicht, das per Definition bei 0 liegt. Aber gibt es auch eine höchste Temperatur? Man könnte das annehmen, weil es ja nicht nur eine minimale Geschwindigkeit (0), sondern auch eine maximale Geschwindigkeit (die Lichtgeschwindigkeit c) gibt. So einfach ist es dann aber doch nicht, weil die Energie massebehafteter Teilchen, die sich c annähern, gegen unendlich geht. Damit wäre ihre Temperatur auch unendlich.

Also starten wir am besten in bekannten Gefilden. Wasser verdampft bei Normaldruck bei 100 Grad Celsius. Bei 5930 Grad Celsius siedet Wolfram, das Metall mit dem höchsten Siedepunkt (200 Grad wärmer als an der Oberfläche der Sonne). Bei mehr als 6000 Grad Celsius und Normaldruck existiert also keine feste oder flüssige Materie mehr (bei hohem Druck sieht es anders aus). Wenn Sie weiter heizen, verlieren Atome ihre Elektronen und werden zu Ionen, die ein Plasma bilden, den vierten Aggregatzustand. Im Kern der Sonne ist es über 15 Millionen Grad heiß. Eine Supernova erreicht um die 10 Milliarden Grad Celsius.

Aber das ist nicht das Ende. Wenn Sie immer weiter Wärme zuführen, erreicht das aufgeheizte Plasma irgendwann die Hagedorn-Temperatur, die bei 1,7 Billionen (1012) Grad liegt. Hier passiert etwas Seltsames: Die Temperatur steigt erst einmal nicht weiter, wie sich auch die Temperatur beim Sieden von Wasser nicht mehr erhöht. Die Ursache ist aber eine andere: Bei dieser enormen Hitze ist so viel Energie vorhanden, dass aus dem Nichts Quark-Antiquark-Kombinationen entstehen können. Ihre Erzeugung schluckt einerseits einen Teil der zugeführten Energie, führt aber auch dazu, dass das System neue Freiheitsgrade bekommt, die ebenfalls Energie aufnehmen können. Alle Hadronen (Elementarteilchen aus Quarks) lösen sich dabei in ihre Bestandteile auf und schwimmen gemeinsam mit ihrem Klebstoff, den Gluonen, und vielen aus dem Nichts hinzugekommenen Quarks in einer ultraheißen Suppe, dem Quark-Gluon-Plasma. Im Labor (nämlich in Teilchenbeschleunigern) werden solche Temperaturen von mehreren Billionen Kelvin heute regelmäßig erreicht.

Aber auch diese Quark-Gluonen-Suppe lässt sich weiter aufheizen – spätestens, wenn nicht mehr genug Platz zum Hinzufügen neuer Quarks ist, denn Quarks sind nicht punktförmig, sondern nehmen eine gewissen Raum ein (wenn er auch sehr klein ist). Jetzt ist es ein weiter Weg bis zur nächsten Grenze. Die gibt die Stringtheorie vor, die davon ausgeht, dass sämtliche Materie aus schwingenden Saiten besteht, den Strings. Diese erstrecken sich über mehr als unsere vier bekannten Dimensionen – über bis zu 21 Dimensionen insgesamt. Dass wir von diesen zusätzlichen Dimensionen nichts bemerken, liegt daran, dass sie “aufgerollt” sind, und zwar zu winzigen Maßen, deren Nachweis uns heute noch nicht möglich ist.

Es gibt aber Physiker, die etwas anderes vermuten: Die Zusatzdimensionen könnten auch sehr groß sein, sodass man sie nur bei hohen Energien (und Temperaturen) findet. Würde man diese Temperaturen erreichen, würden sich alle Grundkräfte zu einer vereinigen. Das müsste dann bei etwa 100 Trilliarden Grad (1017) geschehen, die im Teilchenbeschleuniger heute fast greifbar sind. Genau deshalb sieht es für diese Theorie nicht gut aus. Im Experiment ließ sie sich bisher nicht bestätigen, im Gegenteil, die Forscher haben schon einige Versionen der Theorie ausschließen können.

Damit bleibt aber die Stringtheorie mit winzigen Extradimensionen im Spiel. Sie würde bei etwa 1030 Grad zur Vereinigung aller Grundkräfte führen. Damit liegt sie aber immer noch ein Stück unter der Planck-Temperatur von 1032 Grad (eine 1 mit 32 Nullen), die kurz vor dem Urknall im Universum geherrscht haben muss.

Ist das dann die höchste Temperatur? In diesem Universum vielleicht, aber im Universum nebenan mit seinen ganz anderen physikalischen Konstanten kann es anders aussehen.

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.