Zusammenfassung: Eine Betrachtung des
Erstarrungsvorganges von Metallschmelzen führt zu analogen Vorstellungen über
die Entwicklung des Universums.
Dieses Kapitel stand am Anfang aller Überlegungen, denn das Bild der
großräumigen Galaxienverteilung im Universum nach Darstellungen von Peebles u.a. glich auffallend 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 die hier interessierenden 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 bilden 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 Verdichtungen und Verwirbelungen.
Um eine Beziehung zur heute gültigen Vorstellung des Urknalls zu haben,
soll folgende Überlegung dienen:
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 Voids
oder Hubble-Blasen bezeichnet). Die entstehende Materie wandert, beschleunigt
von den parallel gebildeten Adipolen, 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 auf der Blasenoberfläche 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?).
Auf den Blasenoberflächen wirken tangential Gravitationskräfte, die mit
einer in die Blasenmitte gerichteten Komponente die Blasen kontinuierlich
verkleinern bis alle Materie im Mittelpunkt kondensiert ist. Die größeren
Nachbarblasen haben dann den gesamten Raum vereinnahmt.
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 Spiralgalaxien 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 auf der wachsenden
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 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.
Beim beschriebenen Mechanismus expandieren die Voids;
bei konstantem oder unendlichem Raumvolumen muss die Summe aller Void-Volumina konstant bleiben. Das bedeutet, dass, falls
neue Voids entstehen, diese auf Kosten der älteren
wachsen.
Was aber entspricht der Kupfermatrix?
In einem Kristall benötigt der Einbau von 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 über den Siedebeginn 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 oder auch an Siedeverzug denkt, das
bei kleinster Störung sofort erstarrt oder verdampft, wobei die Schmelzwärme
oder Wärme der Überhitzung frei wird, was zu einem Temperaturanstieg der
Umgebung bis zur wahren Schmelztemperatur oder eine sehr schnelle
Volumenzunahme führt.
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 frei von gravitativer
Materie. Die Dichte der Adipole 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 unmittelbar
zu schweren Körpern, antigravitative verbanden sich zu elektrischen Dipolen,
die ihrerseits für alle Zeit isoliert bleiben. 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 definieren.
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".
Letzte Korrektur:8-8-2011
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