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Fluiddynamik: Geheimnisvolle Turbulenz

Ob Wirbelstürme, der Blutfluss in Arterien oder Wasserfälle: Wir sind von Turbulenzen umgeben. Und dennoch sind Forscher noch weit davon entfernt, das rätselhafte Phänomen zu verstehen. Jetzt könnte ein neues Laborverfahren den Durchbruch bringen.
Tornado-Superzelle in den USA

Es ist Zeit, den Blob zu füttern. Schäumend und ge­fräßig saugt er alle paar Sekunden acht tellergroße Portionen auf. Was wir hier als Blob bezeichnen, ist ein stabiler turbulenter Fleck in einem riesigen Wassertank im Labor des Physikers William Irvine von der University of Chicago.

Anders als alle bisher beobachteten Turbulenzen ist es keine diffus umherwirbelnde Strömung, die sich mit der Zeit vergrößert oder verkleinert. Stattdessen gleicht der Blob einer in sich geschlossenen, brodelnden Kugel, die das Wasser um sich herum unbewegt lässt. Um das unge­wöhnliche Phänomen zu erzeugen und insbesondere aufrechtzuerhalten, müssen Irvine und sein Doktorand Takumi Matsuzawa es immer wieder mit acht ringförmigen Wirbeln, dem flüssigen Gegenstück zu Rauchringen, beschießen. »So bauen wir die Turbulenz Stück für Stück auf«, erklärt Matsuzawa.

Weil die beiden Forscher die ringförmigen Wirbel sehr genau kontrollieren, können sie die daraus entstehende Turbulenz aus nächster Nähe untersuchen. Der Blob könnte damit Einblicke in eine chaotische Welt geben, denen Physiker seit mehr als zwei Jahrhunderten nachjagen …

Kennen Sie schon …

Spektrum - Die Woche – Geopolitische Orientierungssuche am Amazonas

Klimakonferenz: COP30 in Belém zeigt die geopolitische Neuordnung – die USA fehlen, China muss Position beziehen. Wer zahlt für den Regenwald? Und warum sorgt ein Fonds für Streit? Außerdem in »Die Woche«: Die Eisbachwelle macht schlapp, CO₂ soll in den Meeresboden und die Geschichte der Toilette.

Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

  • Quellen

Irvine, W. T. M. et al.: Complete measurement of helicity and its dynamics in vortex tubes. Science 357, 2017

Irvine, W. T. M. et al.: Starting flow past an airfoil and its acquired lift in a superfluid. Physical Review Letters 123, 2019

Irvine, W. T. M. et al.: Tunable band topology in gyroscopic lattices. Physical Review B 98, 2019

Scheeler, M. W. et al.: Complete measurement of helicity and its dynamics in vortex tubes. Science 357, 2017

Vitelli, V. et al.: Odd elasticity. Nature Physics 16, 2020

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