Einstein en de kwestie van koffie rijden

De temperatuur van een lichaam is niet afhankelijk van de staat van beweging

De temperatuur van een gevangen gas is onafhankelijk van zijn snelheid ten opzichte van de waarnemer. © Universiteit van Augsburg
voorlezen

Natuurkundigen zijn erin geslaagd een open en vaak controversieel besproken probleem van de thermodynamica en de relativiteitstheorie van Einstein op te helderen. Met behulp van moleculair-dynamische simulaties bewezen ze dat, bij het kiezen van een geschikte thermometer, de temperatuur van een lichaam niet afhankelijk is van zijn bewegingsstatus. Met andere woorden, de koffietemperatuur in een zeer snel rijdende trein lijkt niet hoger of lager te zijn dan in een langzaam rijdende trein. De resultaten zijn verschenen in zowel Nature als Physical Review Letters.

Thermodynamica en Einsteins relativiteitstheorie zijn de hoekstenen van de moderne fysica naast de kwantummechanica. In tegenstelling tot speciale velden zoals akoestiek of optica, vormen ze een algemeen kader dat alle aspecten van de fysica omvat en beïnvloedt.

Einstein roept vragen op

De speciale relativiteitstheorie stelt onder andere dat de lengte van een bewegende staaf wordt verminderd door de stationaire waarnemer. In 1907 suggereerden Planck en Einstein dat de absolute temperatuur van een bewegend lichaam op analoge wijze zou moeten worden verlaagd. Andere grote natuurkundigen zoals Eddington pleitten daarentegen voor een verhoging van de temperatuur, terwijl sommige auteurs beweerden dat de temperatuur niet veranderde.

Om dit te verduidelijken, hebben Augsburg-fysici Jörn Dunkel, professor Peter Talkner en professor Peter Hänggi van het Departement Theoretische Fysica I van de Universiteit van Augsburg in samenwerking met hun Spaanse collega's David Cubero en Jesus Casado van de Universiteit van Sevilla uitgebreide simulaties van de moleculaire dynamiek van relativistische gassen uitgevoerd.

De computerexperimenten verduidelijken op illustratieve wijze hoe het begrip temperatuur kan worden ingebed in de relativiteitstheorie. Ze laten zien hoe statistische gegevens kunnen worden gebruikt om een ​​thermometer te construeren die de temperatuur van snelle relativistische deeltjes kan bepalen. "Onze simulaties geven een duidelijk antwoord, althans voor systemen in één dimensie, " zegt Hänggi: "Met behulp van een geschikte statistische thermometer hangt de temperatuur van een gas niet af van zijn beweging ten opzichte van de waarnemer, dus een gas dat met een constante snelheid beweegt lijkt niet te worden verwarmd. gekoeld. "Display

Kunnen deeltjes met superluminale snelheid vliegen?

En een ander probleem werd opgelost door de nieuwe simulatie: voordat de speciale relativiteitstheorie in 1905 bekend werd, werd aangenomen dat de deeltjessnelheden in een gas werden verdeeld volgens de Gaussiaanse statistieken. In principe laat dit laatste ook snelheidswaarden toe die de snelheid van het licht overschrijden. Zoals Planck terecht erkende, is dit echter in tegenspraak met Einsteins relativiteitstheorie, volgens welke massa-aangetaste deeltjes niet sneller kunnen bewegen dan licht. Dus, binnen het kader van de relativiteitstheorie, moet de oorspronkelijk veronderstelde Gaussische snelheidsverdeling zodanig worden vervangen dat er geen overmatige lichtsnelheden meer kunnen optreden.

Maar hoe ziet de eigenlijk juiste relativistische snelheidsverdeling eruit? Verschillende controversieel besproken voorstellen zijn te vinden in de wetenschappelijke literatuur over deze vraag. Nu hebben de exponenten van de Augsburgse en Spaanse fysici met grote nauwkeurigheid een distributie bevestigd die al in 1911 werd gepostuleerd door Ferencz Jttner.

(Universiteit van Augsburg, 07.11.2007 - NPO)