Die Fragmentierung, also der Prozess, durch den Materialien zerbrechen, mag auf den ersten Blick als willkürlich erscheinen. Neueste Studien zeigen jedoch, dass die Fragmentierung einem Prozess folgt, der darauf abzielt, die Entropie zu maximieren.

Dieses Verhalten ist ein Beispiel für ein grundlegendes Prinzip, das als „maximale Zufälligkeit“ bezeichnet wird. Überraschenderweise kann dieser Prozess auf eine Vielzahl von Materialien angewendet werden und könnte sowohl wissenschaftliche als auch industrielle Auswirkungen haben.

Chaotische Einflüsse im Universum

Innerhalb des Universums scheinen Chaos und Unvorhersehbarkeit vorherrschend zu sein. Diese Faktoren beeinflussen wesentliche alltägliche Prozesse, darunter die große Herausforderung, zu berechnen, wie ein Objekt nach einem Aufprall aussieht.

Studienansätze zur Fragmentierung

Um den Prozess der Fragmentierung zu verstehen, haben Wissenschaftler verschiedene Methoden ausprobiert, darunter die Analyse mikroskopischer Prozesse der Rissausbreitung sowie die Betrachtung des gesamten Vorgangs als „Phasenübergang“, der erfolgt, wenn die Energie einen bestimmten Grenzwert überschreitet, was zu abruptem Zerbrechen führt.

In einer aktuellen Untersuchung, die im Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, weicht Emmanuel Villermaux von der Universität Aix-Marseille in Frankreich von der detaillierten Untersuchung dieser mikroskopischen Aspekte ab und konzentriert sich stattdessen auf das größere Bild.

Theoretische Einblicke

Laut dem theoretischen Physiker Ferenc Kun, der einen begleitenden Artikel zu dieser neuen Studie verfasst hat, postulierte Villermaux, dass die Fragmentierung einem „maximalen Zufallsprozess“ folgt. Dies bedeutet, dass unter allen möglichen Arten, wie etwas zerbrechen kann, stets der Prozess folgt, der die Entropie maximiert.

Villermaux beschreibt spezifisch, wie Dinge zerbrechen können, beginnend mit niedriger Entropie (wenige Stücke) bis hin zu höherer Entropie (viele Stücke). Dies geschieht unter Verwendung ähnlicher Prozesse, wie Physiker im 19. Jahrhundert Gesetze aus großen Ansammlungen von Teilchen abgeleitet haben, so Villermaux im Gespräch mit „New Scientist“.

Statistische Merkmale der Fragmentierung

„Die Ergebnisse zeigen, dass die statistischen Eigenschaften der Fragmentierung möglicherweise nicht von den mikroskopischen Details der Risse oder Instabilitäten diktiert werden, sondern von der Weise, wie Zufälligkeit durch die globale Kinematik eingeschränkt ist“, bemerkt Kun in „Physics“. „Eine solche Perspektive erinnert an die historische Entwicklung der statistischen Mechanik, bei der makroskopische Gesetzmäßigkeiten aus probabilistischen Gesetzen und nicht aus detaillierter Dynamik folgen.“

Kun erklärt, dass Villermaux dieses Rahmenwerk sowohl bei plastischen als auch bei viskoelastischen Materialien getestet hat. Durch die Modifikation des Potenzgesetzes – einer mathematischen Eigenschaft, bei der eine Größe die Gradierung einer anderen beeinflussen kann – sind die Ergebnisse konsistent und zeigen, dass dieses universelle Gesetz für viele verschiedene Materialtypen gilt.

Praktische Anwendungen der Forschung

Obwohl Kun es nicht überraschend findet, dass die Fragmentierung einem größeren Prinzip folgt, ist die Anwendbarkeit auf verschiedene Materialien durchaus unerwartet. Interessanterweise passt das Gesetz der maximalen Zufälligkeit von Villermaux jedoch nicht auf alle Materialien. Insbesondere das Zerbrechen von weicheren Materialien wie Kunststoffen passt nicht so gut in diese mathematische Matrix.

Das Aufdecken eines größeren Prinzips hinter der Fragmentierung könnte sowohl der Wissenschaft als auch der Industrie von Nutzen sein. „Dieses Prinzip könnte Wissenschaftlern helfen festzustellen, wie verschiedene physikalische Prozesse das Verteilungsmuster der Fragmentgrößen unter industriellen, geophysikalischen und astrophysikalischen Bedingungen beeinflussen“, erklärt Kun.

Im Gespräch mit „New Scientist“ erwähnt Kun auch, dass Prozesse wie der Rohstoffabbau oder die Analyse der Auswirkungen von potenziellen Felsabbrüchen von dieser Forschung profitieren könnten.

Es scheint, als strebe das Universum in höchst chaotischer Weise nach Chaos.

Referenz: Fragmentation: Principles versus Mechanisms; Emmanuel Villermaux; Phys. Rev. Lett. 135, 228201 – Publiziert am 26. November 2025; DOI: 10.1103/r7xz-5d9c

Quelle: Scientists Just Discovered a New Law of Physics, Popular Mechanics