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FAQ 048 E-mail
Was versteht man unter "raumzeitlichen Turbulenzen" in einem dreidimensionalen Raumzeit-Kontinuum und wozu führen sie?

Allgemeines: Der Begriff  "Turbulenz" stammt aus dem Latein turbare = drehen, beunruhigen, verwirren, und physikalisch bezieht sich auf die räumlich und zeitlich ungeordnete Strömung bzw. Bewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit mit der Bildung von kleinen und sehr großen Wirbelfeldern. Aufgrund der Kompliziertheit der Wirbelbewegung ist die Berechnung der Turbulenz in allen Einzelheiten außerordentlich schwierig, und deshalb beschränkt sich die Turbulenztheorie vorwiegend darauf, die zeitlichen Mittelwerte zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird die turbulente Bewegung in eine mittlere Bewegung und eine Schwankungsbewegung aufgeteilt. Die mathematische Beschreibung der Turbulenz bedient sich hierfür der Kontinuitätsgleichung und der nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen, und gelangt so zu den Bewegungsgleichungen (Reynolds-Gleichungen). Wichtig: Die Zusatzglieder in den entsprechenden Bewegungsgleichungen können als Oberflächenkräfte aufgefaßt werden, die zu dem Reynoldschen Spannungstensor gehören. Im Vergleich zu den laminaren Strömungen treten in turbulenten Strömungen noch zusätzliche Spannungen auf, die aus den Schwankungsbewegungen resultieren – diese werden scheinbare Spannungen oder Reynolds-Spannungen genannt. Quantitative Aussagen über die räumliche Struktur der Turbulenz erhält man mit Hilfe einer Korrelationsfunktion für die momentanen Schwankungen der Geschwindigkeitskomponenten in zwei benachbarten Punkten. Als weitere und wichtige Kennzeichnung der Turbulenz gewinnt man die Frequenzfunktion als Fourier-Transformierte der Korrelationsfunktion. Um die Natur bzw. die Beschaffenheit von Turbulenzen physikalisch zu verstehen, ist es ratsam, sich ein wenig sowohl mit der Turbulenz- als auch mit der Chaostheorie zu befassen (eine nicht zu leichte Übung für den Anfänger!), denn die Physik liefert eine – zumindest innerhalb gewisser Grenzen – exakte Beschreibung über das Verhalten von turbulenten Medien, seien diese Flüssigkeiten, Gase oder – wie in unserem Fall – räumliche Regionen auf kosmischer Ebene. Mit diesem kleinen Einschub hätten wir ausreichende Informationen, um die raumzeitlichen Turbulenzen zu verstehen.

Wenn ich mich auf "raumzeitliche Turbulenzen" in einem dreidimensionalen Raumzeit-Kontinuum beziehe, meine ich in erster Linie natürlich das scheinbar chaotische Verhalten unseres vertrauten R3, oder besser gesagt, der entferntesten meßbaren Grenze unseres eigenen Universums, aus deren Regionen uns zum Beispiel das intensitätsstarke Licht von Quasaren erreicht. Diese raumzeitlichen Turbulenzen treten selbstverständlich auch in anderen Universen auf, und zwar an denselben Stellen und aus denselben Gründen.

Auch die beschleunigte Expansion unseres Universums (der Grund dieser Expansion wird an einer anderen Stelle dieser Präsentation erklärt) – aber nicht nur diese! –, die sich am Rande desselben stärker bemerkbar macht als in anderen Regionen nahe unserer augenblicklichen Position, bringt das Raumzeit-Kontinuum sozusagen in heller Aufregung. Die Instabilitäten im raumzeitlichen Medium nehmen solche Dimensionen an, die dazu führen, daß das Raumzeit-Gefüge aus dem expansionellen Takt gerät, d. h. die Expansionsbewegung läuft nicht ruhig und gleichförmig ab, sondern ist sehr starken raumzeitlichen Fluktuationen und verschiedenen Einwirkungen sowohl vom Transuniversum Ω als auch von der transuniversellen Umgebung, unterworfen, die ihrerseits von mehreren (meßbaren) Auswirkungen für das R3 begleitet werden. Diese Fluktuationen sind umso stärker, je mehr kosmische "entartete" Materie sich in den betreffenden Gebieten befindet. Merke: Quasare gehören auch zur entarteten Materie, da für sie quantenmeschanische Aspekte eine Rolle spielen, das heißt, sie lassen sich nicht auf herkömmliche Weise (wie ein Elektronengas) beschreiben. 

So, und was passiert denn an der äußersten Grenze unseres Universums? Nun, die entferntesten Regionen unseres R3 sind alles andere als ruhige Örtchen, an denen vielleicht ganze Sternensysteme ihr Ende finden, nachdem die zugehörigen Sterne ihren Nuklearvorrat verbraucht haben. Ganz im Gegenteil, es ist ein sehr unruhiges und zum Teil auch sehr instabiles Raumgebiet, das mit vielen angenehmen, aber auch unangenehmen Überraschungen aufwartet. Die Objekte aus entarteter Materie stellen hier quasi die "Keime" für die Bildung dieser raumzeitlichen Turbulenzen dar, denn aufgrund ihrer sehr starken Gravitationswirkung (unendlich hohe Materiedichte) kommt es zu kritischen Verzerrungen der Raumzeit-Geometrie, die in sehr weiter Entfernung (von einigen Millionen Lichtjahren) von der betreffenden entarteten Materie als "flach" angenommen werden darf. Ein wichtiger Faktor zur Bildung dieser raumzeitlichen Instabilitäten kommt noch dazu: An vielen Stellen, hauptsächlich wenn diese periphären Regionen unseres R3 anderen in unserer Nähe liegenden Paralleluniversen Pu(k) im Transuniversum Ω zugewandt sind, kommt es zu Gezeitenkräften, d. h. zwischen diesen Pu(k) und unserem R3 findet ein "Kräftemessen" statt, das der beinah flachen Raumzeit-Geometrie nicht förderlich ist. Beide wollen etwas vom anderen haben. Die beschleunigte Expansion unseres Universums tut ihr übriges. Am Ende kommt es an den entsprechenden Stellen zu raumzeitlichen Protuberanzen auf der als Kugelschale mit endlicher Dicke (einigen Tausend Lichtjahre) gedachten periphären Region (Raumzeit-Geometrie) unseres R3. Diese raumzeitlichen Protuberanzen werden in Abhängigkeit von der zugeführten Energie aus der Umgebung (Paralleluniversen, entartete Materie) so instabil, daß es zur Bildung von raumzeitlichen Wirbelfeldern kommt, die regelrechte überdimensionale Orkane kosmischen Ausmasses darstellen. Aus diesem Grund findet man gleichzeitig in einem relativ kleinen kosmischen Bereich Sterne, deren emittiertes Licht blau- bzw. rotverschoben ist, je nachdem, ob die Sterne sich auf uns zu bzw. von uns wegbewegen. Diese Lichtphasenverschiebung kommt durch die wirbelförmige Verzerrung (Rotation) der Raumzeit, die ihrerseits die darin enthaltenen Sterne bzw. Sternensysteme mitschleppt. Und wenn das nicht genug wäre: Stellen diese "Keime" auch noch hochkompaktifizierte Teile unseres R3 dar, nämlich die *J3[R3] (ich lasse hier den Oberindex (i) weg!), die unser R3 auf jeden Fall los werden will (siehe die Rubrik "Zum Auftakt" dieser Präsentation), dann wird vom Transuniversum Ω ein Superkanal K(3…n) bestimmt, über welchen der hochkompaktifizierte Teil unseres Universums sich vom R3-Verband löst, um ein weiteres Paralleluniversum zu bilden. Die mathematische Behandlung dieses Phänomens entspricht in weiten Teilen der, die man für die "normalen" Turbulenzen (bei Flüssigkeiten, Gasen) anwendet.

 


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Doctor Jes˙s Alejandro de la Fuente Moreno