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Gemeinsam mit ihren spanischen Kollegen David
Cubero und Jesus Casado haben die Augsburger Physiker (v. l.)
Peter Hänggi, Jörn Dunkel und Peter Talkner gezeigt ...
... dass die Temperatur eines im Zug
eingeschlossenen Gases unabhängig ist von seiner Geschwindigkeit
relativ zum Beobachter.
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Thermodynamik und Einsteinsche
Relativitätstheorie sind neben der Quantenmechanik die Eckpfeiler der
modernen Physik. Im Gegensatz zu speziellen Teilgebieten wie der
Akustik oder der Optik bilden sie ein allgemeines Rahmenwerk, das
sämtliche Aspekte der Physik umfasst und beeinflusst. Die konsistente
Vereinigung von Thermodynamik und Relativitätstheorie ist somit von
zentraler Bedeutung; seit Beginn des vorherigen Jahrhunderts bereits
wird sie intensiv diskutiert.
Vor Bekanntwerden der speziellen Relativitätstheorie im Jahre 1905
wurde angenommen, dass sich die Teilchengeschwindigkeiten in einem Gas
gemäß einer Gaußschen Statistik verteilen. Letztere erlaubt
prinzipiell auch Geschwindigkeitswerte, die die Lichtgeschwindigkeit
überschreiten. Wie bereits Planck richtig erkannte, steht dies jedoch
im Widerspruch zur Einsteinschen Relativitätstheorie, derzufolge
massenbehaftete Teilchen sich nicht schneller als Licht bewegen
dürfen. Damit ist also im Rahmen der Relativitätstheorie die
ursprünglich angenommene Gaußsche Geschwindigkeitsverteilung so zu
ersetzen, dass keine Überlichtgeschwindigkeiten mehr auftreten können.
Doch wie sieht nun die tatsächlich richtige relativistische
Geschwindigkeitsverteilung aus? Zu dieser Frage finden sich in der
wissenschaftlichen Literatur verschiedene kontrovers diskutierte
Vorschläge. Um hier Klarheit zu schaffen, haben die Augsburger
Physiker Jörn Dunkel, Prof. Dr. Peter Talkner und Prof. Dr. Dr. h. c.
mult. Peter Hänggi am Lehrstuhl für Theoretische Physik I der
Universität Augsburg in Zusammenarbeit mit ihren spanischen Kollegen
Dr. David Cubero und Dr. Jesus Casado von der Universität Sevilla
umfangreiche Simulationen zur Molekulardynamik relativistischer Gase
durchgeführt und dabei mit hoher Genauigkeit eine Verteilung
bestätigt, die bereits im Jahre 1911 von Ferencz Jüttner postuliert
wurde.
Darüber hinaus klären die Computer-Experimente der Augsburger Forscher
und ihrer spanischen Kollegen in anschaulicher Weise, wie sich das
Konzept der Temperatur in die Relativitätstheorie einbetten lässt. Sie
zeigen, wie man anhand statistischer Daten ein Thermometer
konstruieren kann, das die Temperatur schneller relativistischer
Teilchen zu bestimmen vermag.
Die Spezielle Relativitätstheorie besagt u. a., dass sich die Länge
eines bewegten Stabes vom ruhenden Beobachter aus gesehen verringert.
Im Jahre 1907 schlugen Planck und Einstein vor, dass sich analog auch
die absolute Temperatur eines bewegten Körpers verringern sollte.
Andere große Physiker wie Eddington argumentierten demgegenüber für
eine Temperaturerhöhung, während einige Autoren die Auffassung
vertraten, dass sich die Temperatur nicht ändere.
"Diese Verwirrung", so Peter Hänggi, "geistert bis zum heutigen Tag in
der Physik herum. Unsere Simulationen geben diesbezüglich zumindest
für Systeme in einer Dimension eine klare Antwort: Bei Verwendung
eines geeigneten statistischen Thermometers hängt die Temperatur eines
Gases nicht von seiner Bewegung relativ zum Beobachter ab, ein mit
konstanter Geschwindigkeit bewegtes Gas erscheint also weder erhitzt
noch abgekühlt."
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