La thermodynamique relativiste: un domaine encore bien mystérieux

La théorie de la relativité restreinte d'Einstein met en œuvre des formules, appelées les transformations de Lorentz, pour convertir des intervalles de temps ou de distance mesurés dans un référentiel au repos en ceux mesurés dans un référentiel animé d'une vitesse approchant celle de la lumière. Mais qu'en est-il de la température ?

En d'autres termes, si un observateur animé d'une certaine vitesse, muni de son thermomètre, tente de mesurer la température d'un gaz contenu dans une bouteille au repos, quelle température va-t-il mesurer ? Une nouvelle étude, portant sur ce sujet controversé, suggère que la température devrait être identique à celle mesurée dans le référentiel au repos. Autrement dit, les corps en mouvement ne sembleront ni plus chauds ni plus froids.

On pourrait penser qu'une telle question était déjà réglée depuis longtemps, mais ce n'est pas le cas. Einstein et Planck, en leur temps, pensaient que le thermomètre en mouvement mesurerait une température plus basse, mais d'autres théoriciens supposaient le contraire. Un des premiers problèmes, en fait, est de définir ou de mesurer la température d'un gaz. En 1896, James Clarck Maxwell énonçait sa célèbre formule indiquant que la distribution des vitesses des particules d'un gaz ressemblait à une courbe Gaussienne. Mais comment cette courbe apparaît-elle pour un observateur en mouvement ? Quel est l'équivalent de la température moyenne du gaz pour cet autre observateur ?

Jorn Dunkel et ses collègues des universités d'Augsbourg (en Allemagne) et de Séville (en Espagne) ne pouvaient pas effectuer de mesures directes (personne ne sait comment maintenir confiné un gaz à des vitesses relativistes dans un laboratoire terrestre), mais ils sont parvenus à réaliser des simulations intéressantes.

Dunkel indique que certains systèmes astrophysiques pourraient éventuellement offrir une chance d'effectuer de vrais tests expérimentaux. D'une manière générale, la synthèse de la thermodynamique et de la relativité restreinte en est toujours à ses balbutiements. On ne connaît pas de façon précise l'évolution de plusieurs paramètres thermodynamiques à des vitesses élevées. Le zéro absolu, note Dunkel, sera toujours le zéro absolu, même pour des observateurs en mouvement rapide. Mais il reste beaucoup de travail avant de pouvoir élaborer des transformations de Lorentz appropriées pour d'autres quantités comme, par exemple, l'entropie.