¿Qué es la temperatura, que podría decirse que hay una durante la Época de Planck, antes de que haya partículas elementales?

Gracias por el A2A. Como escribí en mi respuesta a ¿Podemos realmente saber qué sucedió antes del Big Bang ?:

Diría que el “big bang” es realmente una representación de nuestro malentendido de la física que era aplicable en el universo primitivo. Sería arrogante para nosotros (me refiero a la humanidad en su conjunto) asumir que ya tenemos una teoría que describe con precisión el universo desde su primer momento. Lo que tenemos es solo una extrapolación y algunas conjeturas, nada más.

La época de Planck se define como el período de tiempo que comienza en el “big bang” y termina después de 1 tiempo de Planck. No entendemos la física lo suficientemente bien como para saber cómo se comportó el universo durante ese tiempo. De hecho, ni siquiera sabemos suficiente física para decir con certeza que hubo una época de Planck en primer lugar.

Por lo tanto, cualquiera que diga “la temperatura en la época de Planck era tal y tal” es básicamente una adivinanza. No tenemos idea de cómo funcionaba la física en el universo primitivo y, para responder a su pregunta directamente, realmente no podemos saber qué significa el concepto de “temperatura” en ese contexto o incluso si todavía se aplica. Una teoría (correcta) de la gravedad cuántica podría darnos más información.

Anexo: Solo para aclarar, ciertamente no estoy diciendo que el modelo estándar de cosmología (conocido coloquialmente como “la teoría del Big Bang”) esté equivocado. Es una teoría muy exitosa cuyas predicciones coinciden muy bien con las observaciones experimentales. Solo digo que actualmente no sabemos lo suficiente como para decir lo que sucedió, en el contexto de ese modelo, en el universo primitivo.

A2A. Como dice Jerzy Michał Pawlak (con una ecuación), la temperatura es el recíproco de la tasa de cambio de entropía con energía. La tasa de cambios se calcula a volumen constante, es decir, en ausencia de trabajo mecánico por compresión, de manera implícita esa tasa de cambio de entropía con energía térmica.

A su vez, la entropía de un “macroestado”, definida en términos de propiedades “macroscópicas” como la energía y la temperatura, es el logaritmo del número de microestados (formas de distribuir partículas y cantidades de energía) que se ajustan a esa definición.

Dado que T (y, por lo tanto, 1 / T) es normalmente positivo, si la energía fluye hacia un sistema en forma de calor, se hacen más microestaciones accesibles. Si tiene un subsistema de alta temperatura (1 / T bajo) conectado a un subsistema de baja temperatura (1 / T alto) e imagina un pequeño incremento de energía que fluye de calor a frío como calor, el sistema frío (1 / T alto) obtener acceso a más microestados de los que perderá el sistema caliente (bajo 1 / T). Eso significa que aumentará el número de microestados accesibles para todo el sistema (el producto de los números para cada subsistema por separado), lo que significa que la entropía total aumentará (el logaritmo significa que cuando los microestados se multiplican, las entropías se suman). Eso significa que si el sistema se equivoca aleatoriamente de microestado a microestado, es mucho más probable que se equivoque en la dirección que representa la energía que va de caliente a frío porque hay muchos más microestados que representan temperaturas pares que temperaturas diferentes.

Entonces, si la física sigue siendo fundamentalmente algún tipo de teoría cuántica de campos en la época de Plank (y esa es la apuesta, aunque no tenemos idea de los detalles), entonces el marco anterior todavía es principalmente aplicable. Todavía habrá partículas fundamentales, es solo que algunas o todas las partículas que tomamos como fundamentales hoy (como fotones, electrones y quarks) se convertirán en combinaciones congeladas de otras aún más fundamentales. Y seguirá siendo aplicable principalmente incluso (como se sospecha fuertemente) que el espacio-tiempo con su estructura tridimensional 3 + 1 resulta ser un fenómeno cuántico mediado por gravitones o similares y se descompone a energías suficientemente altas. Aún podrá contar formas de organizar partículas y cantidades de energía y posibilidades de contraste con más o menos microestados.

Siempre puede intentar usar la definición termodinámica de temperatura:

[matemáticas] \ frac {1} {T} = \ left (\ frac {\ partial S} {\ partial U} \ right) _V [/ math].

Sea lo que sea que exista en la época de Planck, si puede medir su energía y contar diferentes microestados (para derivar entropía de eso), puede definir la temperatura.

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