Zusammenfassung:
Eine Betrachtung des Erstarrungsvorganges von Metallschmelzen führt zu analogen
Vorstellungen über die Entwicklung des Universums.
Dieses
Kapitel war Ausgangspunkt für alle in den übrigen Kapiteln beschriebenen
Überlegungen, denn das Bild der großräumigen Galaxienverteilung im Universum
nach Darstellungen von Peebles u.a. ähnelt sehr den
dem Metallkundler von metallografischen
Schliffbildern her vertrauten Strukturen, wie sie bei technischen
Metalllegierungen von nicht höchster Reinheit auftreten.
Wenn die
Strukturen sich gleichen, könnten dann nicht auch ihre Entstehungsmechanismen,
die bei den Metallen gut bekannt sind, ähnlich sein? Es ist gewagt, einen
Vergleich zwischen den in Lichtjahren gemessenen Entfernungen von Galaxien mit
den im Mikrobereich auftretenden Kristallstrukturen anzustellen. Doch
ermuntert, dass auch das Bohr'sche Atommodell sich
anfangs der den Newton'schen Gesetzen folgenden
Planetenbewegungen bediente.
Der
Vergleich führt zu überraschenden Resultaten, die in folgenden Kapiteln
dargestellt werden.
Im
folgenden Abschnitt sollen zunächst die Mechanismen bei der Erstarrung von
technisch interessanten Metallschmelzen kurz skizziert werden, da nicht
vorauszusetzen ist, dass solche Vorgänge allgemein bekannt sind.
Kristallisation
von Metallschmelzen
Kühlt
eine großvolumige Metallschmelze langsam ab, so bilden sich in einem bestimmten
Temperaturintervall um den Schmelzpunkt herum Kristallkeime, die in der
Folgezeit zu größeren Kristallen anwachsen, bis letztlich die gesamte Schmelze
erstarrt ist.
Enthält
die Schmelze Verunreinigungen oder gezielt zugesetzte Beimengungen, so läuft
die Erstarrung je nach der Art der Zugabe sehr unterschiedlich ab. In vielen
Fällen sind die Zugaben in der Schmelze homogen gelöst, aber im
erstarrten Kristall sind sie praktisch unlöslich. Entscheidend sind die Bildungsenthalpien der entstehenden Phasen. Diese Fälle
interessieren hier. Bei der Erstarrung entstehen keine intermetallischen
Phasen.
Beispiel sei eine
Kupferschmelze. Kupferdrähte haben einen höheren elektrischen Widerstand, wenn
der unvermeidliche Sauerstoffgehalt relativ groß ist. Eine Zirkonium-Zugabe
bindet bereits in der Schmelze den Sauerstoff unter Bildung von festem Zirkoniumoxid, das nicht in den Kupferkristall eingebaut
wird, sondern vor der Erstarrungsfront herwandert,
bis es sich im Endzustand auf den Grenzen zwischen den einzelnen
Kristallkörnern ansammelt. Wegen der jetzt höheren Reinheit der Kupfermatrix
ist deren elektrische Leitfähigkeit besser. Während der Wanderung koagulieren
die Ausscheidungen bereits zu größeren Partikeln.
Ein
anderes Beispiel ist eine bleihaltige Kupferschmelze. Wiederum ist das
Blei in der Schmelze homogen gelöst. Bei Erstarrung bleibt das Blei flüssig und
im festen Zustand befindet es sich nunmehr erstarrt auf den Korngrenzen
und ergibt für Werkstoffe wie Messing, Neusilber oder Bronze eine gute
Zerspanbarkeit.
In einem
geeigneten metallografischen Schliffbild, bei dem nur
die Ausscheidungen sichtbar gemacht werden, sieht man dann die etwa
ringförmigen Verunreinigungen auf den Grenzen zwischen den vielen
Kristallkörnern. Natürlich handelt es sich dabei um Planschliffe, aber eine
kugelförmige Struktur im Volumen des festen Materials ist leicht vorstellbar.
Derartige
Strukturen sind denen der Galaxienverteilungen sehr ähnlich, wenn man
sich die Matrix, hier Kupfer, wegdenkt. Notwendig für ihre Entstehung waren:
1. Die Mischbarkeit in der Ausgangsphase; hier Schmelze.
2. Die
Nicht-Mischbarkeit (und damit Ausscheidung) im
Festkörper.
3.
Langsame Abkühlung: Bei schneller Abkühlung verläuft die Kristallisationsfront
des reinen Kupfers schneller als die Wanderungsgeschwindigkeit der
ausgeschiedenen Partikel. Es bildeten sich viele kleinere Ausscheidungen.
4. Die
statistische Verteilung der Keime über das Schmelzvolumen.
Analogie
Obwohl es
sich, wie oben gesagt, um sehr unterschiedliche Dimensionen handelt, soll
als heuristisches Hilfsmittel eine Übertragung der Vorgänge versucht werden.
Zur
Übertragung des gewonnenen Bildes sind die Metalloxid-Ausscheidungen mit der
Materieverteilung im Universum gleichzusetzen. Aber im Gegensatz zu trägen
Diffusionsvorgängen im erstarrten Festkörper sind Bewegungen im
"Quasi-Vakuum" des Universums möglich, so dass Materieströme aus
benachbarten „Kristallkörnern“ aufeinander treffen und zu Wirbeln führen. Auch
nach dem „Zusammenprall“ der Blasenfronten erfolgen wegen der Gravitation bis
heute fortlaufend weitere Verwirbelungen.
Um eine
Beziehung zur heute gültigen Vorstellung des Urknalls zu haben, soll folgende
Überlegung beschrieben werden:
Zu Beginn
der Blasenentstehung liegt ein ausgedehntes, aber materiefreies Universum
vor, dessen Konsistenz zunächst nicht bekannt ist. In der Folge treten
statistisch über das Volumen verteilt Orte auf, an denen erste gravitierende
Materie entsteht (über den Mechanismus soll später gesprochen werden). Diese
Orte befinden sich in den Zentren der großen materielosen Räume (in der
Literatur auch als Hubble-Blasen bezeichnet). Die entstehende Materie wandert
als Oberfläche der wachsenden Blase nach außen. Dabei können während der
Wachstumsphase auf der Blasenoberfläche Materieteilchen unter Freisetzung
großer Eigenenergien aufgrund der Gravitation bereits zu Staub, Sternen und
Sternhaufen, auch zu Quasaren und Schwarzen Löchern kondensieren. Es entstehen
nur planare zentralsymmetrische, aber nicht rotierende
Strukturen. Auch die Entstehung schwererer Sterne und damit verbundenen
Supernovae ist bereits möglich.
Erst wenn
die Oberflächen benachbarter Blasen aufeinander treffen, Materieströme also
meistens tangential aneinander vorbeifließen oder sich auch durchdringen,
werden Wirbel auftreten. Die Rotationsachsen der Wirbel sind über alle
Richtungen statistisch verteilt. Der Abstand (oder Stoßparameter) der gedachten
Schwerpunkte der Galaxien bei größter Annäherung sollte für die Form der
resultierenden Spirale von Bedeutung sein.
Natürlich
unterliegen die Massenanhäufungen auch weiterhin der Gravitation und
akkumulieren weiter, wobei sie jedoch wegen der Attraktion auf der
Blasenoberfläche auf Dauer nicht in benachbarte Blasen eintreten. Dabei sollten
besonders schwergewichtige Anhäufungen auftreten, wenn – statistisch nicht eben
häufig – Materieströme aus mehreren Blasen aufeinandertreffen (große Mauer?).
Da die
gegenläufigen Ströme eine Unzahl bereits entstandener Sterne enthalten, sind
sehr leicht Mehrfachbegegnungen wahrscheinlich, die Voraussetzung für die
Bildung vieler Doppelsterne sind, welche in der Regel älter als die Galaxien
sind.
Doppelsterne
bilden eine Rotationsebene, wodurch auch Dunkelmaterie, wie Sterne sie häufig
mit sich führen, in der gleichen Ebene zirkulieren. Nach Verdichtung dieser
Materie entstehen Planeten im gleichen Drehsinn in planarer Anordnung.
Das Bild
verlangt, dass anfangs nur Staub, dann Sterne, Sternhaufen und nicht
rotierende Galaxien in elliptisch abgeflachter Form vor der
Bewegungsfront der Blasenoberfläche unter gleichzeitig stattfindender
tangentialer Massenanziehung auftreten. Solche Galaxien werden in jüngster Zeit
in den Tiefen des Raumes und damit vor Milliarden von Jahren häufig gefunden.
Sternhaufen können bereits vor der Galaxienbildung entstehen.
Denken
wir uns einen winzigen Beobachter in einem der unzähligen Kristallite eines
ausgedehnten Metallstabes, der durch die für ihn durchsichtigen Kristalle des
Kupfers nur die Korngrenzen betrachtet, so sähe er bei einer Ausdehnung des
Stabes, wie die Abstände der vielen Korngrenzen proportional zur Entfernung
sich nach allen Seiten entfernten. Er schließt, dass mit abnehmender Temperatur
die Entfernungen schrumpfen, beim Nullpunkt der Zeit also in einen Punkt münden.
So interpretieren wir heute die Hubble Ergebnisse. Ähnlich wie die thermische
Dilatation eines Metallstabes die Summe über die Ausdehnungen der einzelnen
Kristalle ist, bleibt das Hubble-Gesetz als die Summe der Ausdehnungen
einzelner Blasen unberührt. Da wir aber selbst in einem Materiesaum
zwischen Blasen leben, bewegen sich Spiralen der näheren Umgebung in
verschiedene Richtungen. So nähert sich die Andromeda-Galaxie unserer
Milchstraße.
Die
Blasen müssen in eine homogene "Urphase"
hineinwachsen, die der Materiebildung vorausging. Hätten die Blasen sich zu
Beginn der Ausdehnung bereits berührt, wären die Spiralen erzeugenden
Materieströme nicht möglich gewesen. Jene energiereichen Ereignisse am Rand des
bekannten Universums könnten frühe Zeugen der hier angenommenen
"Keimbildungen" sein.
Das Bild
induziert, dass der großvolumige Zustand der Urphase
sich änderte, dass dann statistisch Keime für die Blasen entstanden und diese
wie eine Kristallisationsfront in die Urphase hineinwanderten. Im Gegensatz zur heutigen Urknalltheorie
begann die Bildung der Materie und damit erster Sterne an vielen Stellen des
Universums. Erste Sterne und Sternhaufen müssen daher älter sein als Galaxien.
Was
aber entspricht der Kupfermatrix?
Im
Kristall benötigt der Einbau der Verunreinigungen zusätzliche Energie wegen der
Gitterverzerrungen. Energetisch günstiger ist dagegen der Aufwand für die
Diffusion der Ausscheidungen vor der Kristallisationsfront. Dieser Mechanismus
ist auf das geschilderte Bild übertragbar.
Nimmt man
an, dass die Materiebildung im Mittelpunkt jeder Blase ähnlich wie beim heute
akzeptierten Urknall startete und alle Teile mit der gleichen Geschwindigkeit
entwichen, so könnte die Expansion sich zwar stetig fortsetzen, die Expansionsgeschwindigkeit
der einzelnen Blasen sollte aber abnehmen und somit auch deren Summe. Das
Gegenteil haben Astronomen in jüngster Zeit festgestellt.
So bleibt
die Alternative, dass innerhalb der Blasen eine Kraft wirkt, die ähnlich einem
Gas in einem Luftballon das Volumen ständig zu vergrößern sucht. Dazu entstehen
in der Wachstumsfront während der Wachstumsphase ständig neue Teilchen, die als
gravitativ wirkende an der bereits existierenden Materie kondensieren, während
die antigravitativ wirkenden im Rückraum verbleiben. Es mag andere Erklärungen
geben, aber hier soll diese Hypothese angenommen werden.
Die
Annahme, dass in der zur Metallschmelze analogen Frühphase verschiedene Blasen
ihren Ursprung nahmen, überwindet auch das sogenannte Horizontproblem. Die
Homogenität des heutigen Universums wurde durch die Eigenschaften der Frühphase
bestimmt, ähnlich wie im morgendlichen Kaffeewasser bei 100° C nicht die Blasen
Informationen weitergeben, diese vielmehr in den Eigenschaften des Wassers zu
suchen sind. Ist dann die Annahme einer Inflation noch notwendig? Das
Blasenbild erlaubt auch eine Inflation, wenn man an unterkühltes Wasser denkt,
das bei kleinster Störung sofort eine schnelle Erstarrung zeigt, wobei die
Schmelzwärme frei wird, was zu einem Temperaturanstieg der Umgebung bis zur
wahren Schmelztemperatur bewirkt.
Viele
Fragen können beantwortet werden, wenn man annimmt, dass im Universum bei der
Entstehung der ersten gravitierenden „Teilchen“ symmetrisch auch solche
entstanden, die sich antigravitativ verhalten. Sie besäßen im Hinblick auf die
Gravitation entgegengesetzte Eigenschaften. Eine solche Vorstellung entspricht
auch der Erfahrung, dass viele Quantenzahlen eine Symmetrie zeigen. Gerade in
der Hochenergiephysik waren Symmetrien häufig Wegweiser für Voraussage und
Entdeckung neuer Teilchen. Solche Teilchen stoßen sich und die gravitative
Materie definitionsgemäß in der Zeit ständig ab und bedeuten eine
beschleunigte, nicht endende Expansion des Universums (positive
kosmologische Konstante).
Wenn
beide Teilchenarten im Bereich der Wachstumsfront entstehen, die gravitierenden
Teilchen koagulieren und wegen der Antigravitation nach außen wandern, so
sind Rekombinationen im rückwärtigen Bereich nicht mehr möglich. Die Blasen
bleiben materiefrei. Die Dichte der Teilchen sollte während der Wachstumsphase
im Rückraum konstant bleiben.
Wir
kennen keine elektrischen Ladungen ohne Massen, dagegen Massen ohne elektrische
Ladungen. Elektrische Ladungen setzen also Masseteilchen voraus. Danach
entstanden zunächst beide Arten von Masseteilchen, die zunächst elektrisch
neutral, später aber in positive und negative Teilchen zerfielen. Gravitative
Teilchen reagierten unter der Wirkung der Gravitation zu schweren Körpern,
antigravitative verbanden sich zu elektrischen Dipolen. Mit diesen ist eine
Polarisation des "Vakuums" möglich, wie sie bei elektrischen Teilchen
im Vakuum angenommen wird. Nur wird es schwierig sein, mit Messverfahren,
die letztlich auf Wechselwirkungen zwischen Masseteilchen beruhen, solche
antigravitativen Teilchen nachzuweisen.
Die
folgenden Abschnitte mögen weiter für die Akzeptanz der Hypothese sprechen.
Im
Physikunterricht vor 60 Jahren wurde gelehrt, dass sich die elektromagnetische
Strahlung im Vakuum ausbreitet. Dielektrizitätskonstante und magnetische
Permeabilität des Vakuums wurden eingeführt, um elektrische und magnetische
Vektorgrößen zu bestimmen.
Das
Vektorprodukt ergab den Poyntingvektor, der dann
ebenfalls im Vakuum den messbaren Energietransport besorgte. Dass bei gekreuzten
statischen Feldern der Poyntingvektor nicht
verschwand, bezeichnete ein frühes Lehrbuch von Bergmann-Schäfer als einen
paradoxen Fehler der Theorie.
Man kann
jedoch den Poyntingvektor, der ja einen Energiestrom
darstellt, wegen der Masse-Energie-Äquivalenz (E = m *c²) durch eine Masse
ersetzen. Mit Beachtung der Maxwell-Beziehung zwischen Lichtgeschwindigkeit und
den genannten Vakuumkonstanten ergibt sich für einen Massestrom zunächst
m =const x D x B,
wo D die
elektrische Verschiebung und B die magnetische Induktion sind.
Nun wird
sich diese Masse nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Nimmt man aber an,
dass unbekannte Masseteilchen Träger der elektromagnetischen Wellen sind, dann
wird deren Massendichte sich als Funktion von Zeit und Raum lokal ändern.
Differentiation nach der Zeit ergibt bei festem Ort einen Ausdruck für die
Massenänderung, wobei die Frequenz als Faktor auftritt. Damit ist der oben
beschriebene Fehler behoben.
dm/dt
= const*n*D*B
Für n =
0, also strahlungsfreier Raum, ist die Massendichte zeitlich konstant,
bei gekreuzten statischen Feldern aber polarisiert.
Welche
Eigenschaften müsste die Masse haben, die solchen lokalen und zeitlichen
Wechseln unterliegt?
Zunächst
müsste sie aus Teilchen bestehen, die mit einer elektrischen Ladung behaftet
sind, da sie ja mit elektromagnetischen Feldern wechselwirken. Andererseits
sollte sie sich antigravitativ verhalten, da die Teilchen sonst koagulierten.
Die verlangten Eigenschaften entsprechen denen der zuvor definierten
hypothetischen Teilchen. Das Argument, dass transversale Wellen nur in
Festkörpern möglich sind, entfällt, wenn man als Trägerteilchen die
hypothetischen Dipole akzeptiert, die wegen ihrer gegenseitigen Abstoßung die
Tendenz haben, sich möglichst äquidistant anzuordnen.
Ein
Gegenargument war das Ergebnis des Michelson -Versuchs. Das war Auslöser für
die Ausführungen im Kapitel "Michelson, Äther und Hubble"923.
NEXT: Gab es nur einen Urknall?
bernhard(dot)reddemann(at)gmail(dot)com