Fysici uit Augsburg en Spaanse onderzoekers zijn er in in geslaagd om een controversieel en veelvuldig bediscussieerd probleem uit de thermodynamica en Einstein’s relativiteitstheorie te verklaren. Door middel van moleculaire dynamische simulaties konden ze aantonen, dat bij de keuze van een geschikte thermometer de temperatuur van een lichaam niet afhangt van zijn bewegingstoestand. Met andere woorden: de koffie in een snel rijdende trein blijkt niet hoger of lager dan in een langzaam rijdende trein.
Thermodynamica en de relativiteitstheorie van Einstein zijn naast de kwantummechanica de pijlers van de moderne fysica. In tegenstelling tot speciale deelgebieden zoals akoestiek of optiek vormen ze een algemene raamwerk, dat diverse aspecten van de natuurkunde omvat en beïnvloedt. De consistente samenvoeging van thermodynamica en relativiteitstheorie is daarom van grote betekenis.
Relativiteitstheorie
Voor het bekend worden van de relativiteitstheorie in 1905 werd aangenomen dat de deeltjessnelheden zich in een gas verdelen volgens een Gauss-kromme. Dat laatste maakt snelheden mogelijk die boven de lichtsnelheid liggen. Maar Planck nam al goed waar dat dit in tegenspraak is met de relativiteitstheorie, waardoor massadeeltjes niet sneller dan het licht zouden mogen bewegen. In het kader van de relativiteitstheorie moet de oorspronkelijk aangenomen snelheidsverdeling volgens Gauss worden aangepast zodat geen hogere snelheden dan het licht mogelijk zijn.
Maar hoe ziet nu daadwerkelijk de juiste relatieve snelheidsverdeling eruit? Op deze vragen staan in de wetenschappelijke literatuur verschillende controversiële voorstellen. Om meer duidelijkheid te verschaffen, hebben natuurkundigen van de universiteiten Augsburg en Sevilla omvangrijke simulaties met betrekking tot moleculaire dynamiek in gassen uitgevoerd. Ze hebben daarbij met grote nauwkeurigheid een verdeling bevestigd, die in 1911 door Ferencz Jüttner werd beschreven. Bovendien maken de computerexperimenten op aanschouwelijke wijze duidelijk, hoe het concept van de temperatuur in de relativiteitstheorie is te verwerken. Ze laten zien, hoe ze aan de hand van statistische gegevens de thermometer construeren, die instaat is de temperatuur van relatief snelle deeltjes te bepalen.
Controverse
De relativiteitstheorie geeft onder andere aan, dat de lengte van een bewegende staaf gezien vanuit een stilstaande observatie kleiner wordt. In 1907 stelden Planck en Einstein voor dat, analoog hieraan, ook de absolute temperatuur van een bewegend voorwerp moest afnemen. Andere grote namen zoals Eddington argumenteerden daarentegen voor een temperatuurstijging, terwijl een aantal auteurs van mening was dat de temperatuur niet veranderde.
“Deze verwarring spookt tot op heden in de natuurkunde rond”, zeggen de onderzoekers. “Onze simulaties leveren wat dat betreft tenminste voor systemen in een dimensie een duidelijk antwoord. Bij de toepassing van een geschikte statistische thermometer hangt de temperatuur van een gas niet af van zijn relatieve beweging ten opzichte van de observator. Een met een constante snelheid bewegend gas blijkt dus niet kouder of warmer.”
