Ein Badewannenstrudel hat eine fast 150 Jahre alte Vorhersage der Physik bestätigt. Forscher aus Paris haben in einem Wassertank erstmals direkt beobachtet, wie korkenzieherförmige Wellen entlang eines Wirbels turbulent werden und ihre Energie an immer kleinere Wellen weiterreichen. Diese sogenannten Kelvin-Wellen hatte der schottische Physiker Lord Kelvin im Jahr 1880 beschrieben. Die Studie erschien am 21. September im Fachjournal Physical Review Letters.
Beim Ablassen eines Bades bildet sich über dem Abfluss häufig ein schmaler Strudel. Wer genau hinsieht, bemerkt, dass sein Kern nicht ruhig steht, sondern zu wackeln und sich zu winden beginnt. Diese Bewegungen sind Kelvin-Wellen: schraubenförmige Verformungen, die entlang der Achse eines Wirbels wandern. William Thomson, der spätere Lord Kelvin, zeigte bereits 1880 mathematisch, dass ein gerader Wirbelfaden solche Wellen tragen kann. Die Theorie sagte darüber hinaus voraus, dass die Wellen bei ausreichender Stärke miteinander wechselwirken und turbulent werden. Energie fließt dann von großen, langsamen Schwingungen zu immer kürzeren und schnelleren, bis sie schließlich als Schall abgestrahlt wird. Dieser Prozess, die Kelvin-Wellen-Turbulenz, ließ sich in einem Experiment bislang nie direkt beobachten. Genau das ist einem Team um Eric Falcon von der Université Paris Cité nun gelungen, gemeinsam mit Jason Barckicke und Christophe Gissinger von der École normale supérieure in Paris.
Dass die Beobachtung so lange auf sich warten ließ, liegt an den Systemen, in denen Kelvin-Wellen eine besonders wichtige Rolle spielen. In Suprafluiden, extrem kalten Flüssigkeiten wie Helium nahe dem absoluten Nullpunkt, fließt die Materie völlig ohne Reibung. Wirbel in solchen Flüssigkeiten haben Kerne, die teils nur Bruchteile eines Nanometers messen, ihre Wellen lassen sich kaum verfolgen. Das Pariser Team wählte deshalb einen anderen Weg, wie die im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlichte Studie beschreibt. Da Kelvin-Wellen an jedem Wirbelfaden auftreten, untersuchten die Forscher einen großen, gut sichtbaren Wirbel in gewöhnlichem Wasser. Bereits im Februar hatte die Gruppe im Fachjournal Nature Physics gezeigt, dass sich Ausbreitung und Geschwindigkeit der Wellen an einem solchen Wasserwirbel präzise messen lassen. Darauf baut die neue Arbeit auf.
Für ihr Experiment verfeinerten die Physiker das Prinzip der Badewanne. Sie pumpten kontinuierlich Wasser durch symmetrisch angeordnete Einlässe in einen zylindrischen Tank und ließen es durch ein kleines Loch im Boden abfließen. So entstand ein langer, stabiler Wirbel, der sich über einen großen Teil der Tankhöhe erstreckte. Um Kelvin-Wellen anzuregen, setzten die Forscher einen Ring am oberen Ende des Wirbels ein, den ein elektromechanischer Schwingerreger mit einem niederfrequenten Zufallssignal bewegte. Der Wirbelkern wurde dadurch an seinem oberen Ende sanft und unregelmäßig hin und her gerüttelt. Eine Hochgeschwindigkeitskamera filmte den Kern dabei entlang eines großen Teils seiner Länge. Aus den Aufnahmen konnten die Forscher genau verfolgen, wie sich der Wirbel an jeder Stelle und zu jedem Zeitpunkt bewegte, und die Wellen über einen weiten Bereich von Größen gleichzeitig vermessen.
Die Auswertung zeigte genau das Verhalten, das die Theorie der schwachen Wellenturbulenz vorhersagt. Die Energie wanderte von den großen, durch den Ring angeregten Schwingungen zu immer kleineren Wellen entlang des Wirbelkerns, und die gemessene Verteilung der Wellenstärken entsprach der berechneten Kaskade. Darüber hinaus gelang es dem Team, den Mechanismus hinter diesem Energietransport zu identifizieren. Die Energie wird demnach in Resonanzen weitergegeben, an denen jeweils sechs Wellen gleichzeitig beteiligt sind. Genau diese Sechs-Wellen-Wechselwirkungen hatten Theoretiker seit Jahrzehnten als Motor der Kelvin-Wellen-Turbulenz angenommen, ohne sie im Experiment nachweisen zu können. Der Mathematiker Andrew Baggaley von der Lancaster University bewertet das Ergebnis in einem Kommentar der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft als erste direkte experimentelle Bestätigung dieses lange vermuteten Mechanismus.
Die Bedeutung des Experiments reicht weit über den Wassertank hinaus. In Suprafluiden gibt es keine Reibung, die Wirbel und Wellen abbremsen könnte. Physiker gehen deshalb davon aus, dass die Kelvin-Wellen-Kaskade der Weg ist, auf dem Turbulenz in solchen Flüssigkeiten schließlich abklingt: Die Energie rutscht zu immer kleineren Wellen, bis sie als Schall entweicht. Solche Prozesse spielen in Laborexperimenten mit ultrakalten Atomgasen eine Rolle, vermutlich aber auch im Inneren von Neutronensternen, deren Materie suprafluide Eigenschaften haben dürfte. Auch in atmosphärischen Wirbeln könnten Kelvin-Wellen zur Verteilung von Energie beitragen. Wie viel sich über die Quantenwelt mit geschickten Experimenten lernen lässt, zeigte kürzlich auch ein Versuch tief im Fels, nach dem die Schwerkraft wohl nicht schuld am Tod von Schrödingers Katze ist. Der Pariser Wirbel liefert nun ein klassisches Modell, an dem sich quantenmechanische Turbulenz studieren lässt.
Das Team um Falcon sieht in dem Aufbau erst den Anfang. Mit noch präziseren Experimenten wollen die Forscher künftig komplexere Situationen untersuchen, etwa wenn viele Wirbel gleichzeitig miteinander wechselwirken, sich kreuzen oder neu verbinden. Genau solche Wirbelknäuel bestimmen das Verhalten turbulenter Suprafluide, und ihr Zerfall ist bislang nur in Computersimulationen zugänglich. Wie sich die Wellen an einem einzelnen Wasserwirbel ausbreiten und gegenseitig beeinflussen, schildert auch ein Bericht des Portals phys.org zu der Studie. Für den Alltag bleibt eine anschauliche Erkenntnis: Der unscheinbare Strudel über dem Abfluss folgt denselben Gesetzen, die in den exotischsten Materiezuständen des Universums wirken. Wie überraschend einfache Objekte grundlegende Probleme lösen können, zeigte zuletzt auch der fairste Würfel der Welt mit 60 Seiten.
Physical Review Letters, Experimental Evidence of Kelvin-Wave Turbulence along a Vortex Core; doi:10.1103/t3bt-m431