Fragmentatie, of hoe objecten breken, lijkt misschien een willekeurig proces, maar recent onderzoek toont aan dat fragmentatie daadwerkelijk een proces volgt dat is gericht op het maximaliseren van entropie.
Dit gedrag is een manifestatie van een breed principe, genaamd “maximale willekeurigheid”. Verrassend genoeg kan dit proces worden toegepast op een verscheidenheid aan materialen en zou het zowel invloed kunnen hebben op de wetenschap als de industrie.
In het universum heersen chaos en onvoorspelbaarheid. Deze factoren beïnvloeden ook aanzienlijk bepaalde alledaagse processen, zoals de reden waarom het bijna onmogelijk is te berekenen hoe een object eruit zal zien na een impact.
Om dit fragmentatieproces te begrijpen, hebben wetenschappers verschillende benaderingen geprobeerd, van het analyseren van de microscopische processen van het verbreiden van scheuren tot het beschouwen van het hele proces als een “faseovergang” wanneer de energie een bepaald drempel bereikt, wat leidt tot direct breken.
In een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift Physical Review Letters, neemt Emmanuel Villermaux van de Universiteit Aix-Marseille in Frankrijk echter afstand van het bestuderen van deze kleine details en richt hij zich in plaats daarvan op het bredere plaatje.
Volgens theoretisch fysicus Ferenc Kun, die een begeleidende paper bij dit nieuwe onderzoek heeft geschreven, heeft Villermaux gesuggereerd dat fragmentatie een proces volgt van “maximale willekeurigheid”, wat betekent dat onder alle mogelijke manieren waarop iets kan breken, het altijd die manier zal volgen die de entropie maximaliseert.
Hij somt op hoe objecten kunnen breken, van lage entropie (weinig stukjes) naar hogere entropie (veel stukjes), gebruikmakend van een vergelijkbaar proces als de manier waarop fysici wetten afleiden van grote verzamelingen deeltjes in de 19e eeuw.
De bevindingen tonen aan dat de statistische kenmerken van fragmentatie mogelijk niet worden gedicteerd door de microscopische details van scheuren of instabiliteiten, maar door hoe willekeur wordt beperkt door globale kinetica. Kun merkt op dat deze benadering doet denken aan de historische ontwikkeling van de statistische mechanica, waarin macroscopic wetten voortkomen uit waarschijnlijkheidswetten, en niet uit gedetailleerde dynamiek.
Volgens Kun heeft Villermaux dit kader getest op zowel plastische als visco-elastische materialen. Door de exponentiële wet – een wiskundige eigenschap waarbij één hoeveelheid de mate van een andere kan beïnvloeden – aan te passen, zijn de resultaten consistent, wat laat zien dat deze algemene wet van toepassing is op veel verschillende soorten materialen.
Kun stelt dat het niet verrassend is dat fragmentatie een groter principe volgt, maar de toepasbaarheid ervan op verschillende materialen is onverwacht. Desondanks geldt de wet van maximale willekeurigheid van Villermaux niet voor elk materiaal. Vreemd genoeg past het breken van zachtere materialen, zoals kunststoffen, niet zo goed in deze wiskundige matrix.
Het onthullen van een groter principe achter fragmentatie kan echter zowel de wetenschap als de industrie ten goede komen. “Het principe kan wetenschappers helpen bepalen hoe verschillende fysieke processen de grootteverdeling van fragmenten beïnvloeden in industriële, geofysische en astrofysische omstandigheden,” schrijft Kun.
In een gesprek met New Scientist merkte Kun ook op dat zaken als ertswinning of de impactanalyse van mogelijke instortingen van rotsen kunnen profiteren van dit onderzoek.
Het lijkt erop dat het universum streeft naar chaos op de maximaal chaotische manier.
