Die klassische Thermodynamik trägt entscheidend zum Verständnis komplexer natürlicher Vorgänge bei. Eine schlüssige Einbettung ihrer Konzepte in die Einsteinsche Relativitätstheorie ist jedoch nicht gelungen, sie wurde seit über 100 Jahren immer wieder kontrovers diskutiert. Wie Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, haben sie nun eine Lösung für dieses zentrale offene Problem der Physik gefunden.
Das grundsätzliche Ziel der Thermodynamik besteht darin, ausgedehnte physikalische Systeme mittels weniger globaler Kenngrößen wie Energie, Volumen oder Temperatur zu beschreiben. Solch eine Charakterisierung erweist sich in der Relativitätstheorie freilich als problematisch. Denn in ihr verlieren beispielsweise Aussagen wie „die Energie oder die Länge eines Körpers zum Zeitpunkt t“ an Eindeutigkeit. Denn in Einsteins Relativitätstheorie hängt der Zeitbegriff vom Bewegungszustand des Beobachters ab.
Thermodynamische Größen mithilfe von Lichtkegeln bestimmt
Zur Lösung dieses konzeptionellen Problems gelangten die Forscher um Jörn Dunkel, Professor Peter Hänggi und Stefan Hilbert von den Universitäten Oxford, Augsburg und Bonn indem sie die thermodynamischen Größen „fotografisch“, das heißt mithilfe von so genannten Lichtkegeln, bestimmen. Der Lichtkegel entspricht den Ereignissen die prinzipiell auf einem Foto abgebildet werden können, wobei wegen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts weiter entfernte Objekte früher auf dem Foto erscheinen als näherliegende Objekte.
Im Gegensatz zu traditionellen Formulierungen der relativistischen Thermodynamik, die üblicherweise auf dem Begriff der Gleichzeitigkeit aufbauen, lässt sich die von Dunkel, Hänggi und Hilbert vorgeschlagene „fotografische Thermodynamik“ prinzipiell problemlos auch auf die Allgemeine Relativitätstheorie erweitern.
Zudem ergibt sich aus dieser neuen Theorie auch ein neuer Effekt: dass nämlich ein entfernter Beobachter bei naiver fotografischer Betrachtung proportional zu dessen Temperatur die endliche Fluchtgeschwindigkeit eines sehr heißen Objekts misst, obwohl sich das Objekt tatsächlich gar nicht von ihm wegbewegt.
Effekt mit wichtiger Rolle bei der Bestimmung kosmologischer Modelle
Dieser zumeist sehr kleine Effekt kann für zukünftige Präzisionsmessungen von Geschwindigkeiten weit entfernter und sehr heißer Galaxien von Bedeutung sein. Man könne diesen thermodynamisch-relativistischen Effekt etwa mit der kleinen Ablenkung von Lichtstrahlen durch Massen in der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie vergleichen, erläutert Hänggi. Obwohl er üblicherweise sehr gering sei, spiele dieser Effekt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung kosmologischer Modelle.
„Die Einbeziehung der Gesetze der Quantenmechanik in eine schlüssig zusammenhängende Trias zusammen mit der Relativitätstheorie und der Thermodynamik“, sagt Hänggi, „bleibt freilich noch ein Thema für die Zukunft.“
(idw – Universität Augsburg, 29.09.2009 – DLO)
