Fragmentierung, oder das Zerbrechen von Materialien, kann auf den ersten Blick als ein zufälliger Prozess erscheinen. Ein aktuelles Forschungsergebnis zeigt jedoch, dass die Fragmentierung tatsächlich einem Prozess folgt, der darauf abzielt, die Entropie zu maximieren. Dieses Verhalten ist ein Ausdruck eines umfassenden Prinzips, das als „maximale Zufälligkeit“ bekannt ist. Überraschenderweise lässt sich dieser Prozess auf verschiedene Materialien anwenden und könnte sowohl wissenschaftliche als auch industrielle Anwendungen beeinflussen.
Chaos und Unberechenbarkeit im Universum
In der Universum scheinen Chaos und Unvorhersehbarkeit vorherrschend zu sein. Diese Faktoren beeinflussen auch signifikant bestimmte alltägliche Abläufe, wie zum Beispiel die nahezu unmögliche Vorhersage, wie ein Objekt nach einem Schlag aussehen wird. Um diesen Prozess der Fragmentierung zu verstehen, haben Wissenschaftler verschiedene Ansätze ausprobiert. Diese reichen von der Analyse der mikrostrukturellen Prozesse der Rissausbreitung bis hin zu Ansätzen, die den gesamten Prozess als „Phasenübergang“ betrachten, bei dem eine bestimmte Energiemenge überschritten wird und es sofort zum Zerbrechen kommt.
Eine neue Perspektive in der Forschung
In einer aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, hat Emmanuel Villermaux von der Universität Aix-Marseille in Frankreich einen Schritt zurück gemacht von der Untersuchung dieser feinen Details und konzentriert sich stattdessen auf das Gesamtbild. Laut dem theoretischen Physiker Ferenc Kun, der einen begleitenden Artikel zu dieser Neuen Studie verfasst hat, hat Villermaux die Hypothese aufgestellt, dass die Fragmentierung einem Prozess der „maximalen Zufälligkeit“ folgt. Das bedeutet, dass unter allen möglichen Weisen, wie ein Material zerbrechen kann, der Prozess immer denjenigen bevorzugt, der die Entropie maximiert.
Statistische Eigenschaften der Fragmentierung
Villermaux beschreibt, wie Materialien zerbrechen können, angefangen von niedriger Entropie (wenige Stücke) bis hin zu höherer Entropie (viele Stücke). Dabei nutzt er einen ähnlichen Prozess, wie Physiker im 19. Jahrhundert Gesetze aus großen Ansammlungen von Partikeln ableiteten. „Die Ergebnisse zeigen, dass die statistischen Merkmale der Fragmentierung möglicherweise nicht durch die mikroskopischen Details der Risse oder Instabilitäten determiniert sind, sondern durch die Art und Weise, wie Zufälligkeit durch globale Kinematik eingeschränkt ist“, erklärt Kun in Physics. „Diese Perspektive erinnert an die historische Entwicklung der statistischen Mechanik, in der makroskopische Gesetzmäßigkeiten aus probabilistischen Gesetzen abgeleitet werden, anstatt aus detaillierten dynamischen Modellen.“
Breite der Anwendungen
Kun betont, dass Villermaux diese Rahmenbedingungen sowohl bei plastischen als auch bei viskoelastischen Materialien getestet hat. Durch die Modifizierung des Potenzgesetzes – eine mathematische Eigenschaft, bei der eine Größe die Gradierung einer anderen beeinflussen kann – wurden konsistente Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass dieses allgemeine Gesetz auf viele verschiedene Materialarten anwendbar ist. Es ist überraschend, dass die Fragmentierung einem so übergreifenden Prinzip folgt, doch die Anwendbarkeit auf verschiedene Materialien ist unerwartet. Allerdings gilt das Gesetz der maximalen Zufälligkeit von Villermaux nicht für jedes Material. Interessanterweise fügt sich der Bruch von weicheren Materialien, wie Kunststoffen, nicht so gut in dieses mathematische Raster ein.
Potenziale für Wissenschaft und Industrie
Das Verständnis des größeren Prinzips hinter der Fragmentierung könnte sowohl der Wissenschaft als auch der Industrie nützlich sein. „Dieses Prinzip könnte den Wissenschaftlern helfen, zu bestimmen, wie verschiedene physikalische Prozesse die Verteilung der Fragmentgrößen unter industriellen, geophysikalischen und astrophysikalischen Bedingungen beeinflussen“, erläutert Kun. In einem Gespräch mit New Scientist weist Kun auch darauf hin, dass Aspekte wie die Gewinnung von Erz oder die Analyse der Auswirkungen potenzieller Gesteinsabbrüche von dieser Forschung profitieren könnten.
Es scheint, dass das Universum auf maximal chaotische Weise zum Chaos strebt.
Quelle: Fragmentation: Principles versus Mechanisms; Emmanuel Villermaux; Phys. Rev. Lett. 135, 228201 – Published 26 November, 2025; DOI: https://doi.org/10.1103/r7xz-5d9c
Quelle: Scientists Just Discovered a New Law of Physics, Popular Mechanics
