THEMEN: Chaos und Ordnung

Wenn Systeme - wie etwa die Atmosphäre beim Wetter - so empfindlich von Veränderungen abhängen, dass langfristige Vorhersagen unmöglich werden, spricht man von chaotischem Verhalten. Unsere Welt ist voller Chaos. Und dennoch bildet sich Ordnung oft von selbst - selbstorganisiert.

Chaos erschwert Vorhersagen

Das Wetter reagiert so empfindlich auf Veränderungen, dass im Prinzip der Flügelschlag eines Schmetterlings in China das Wetter in Hamburg beeinflussen kann. Dieser so genannte Schmetterlingseffekt beschreibt, was Chaos in der Wissenschaft bedeutet: Winzige Ursachen können so große Auswirkungen nach sich ziehen, dass Vorhersagen für die zeitliche Entwicklung von Systemen nahezu unmöglich werden.

Zwar gelingen den Forscherinnen und Forschern immer bessere Prognosen; die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Chaos zeigt uns aber auch die Grenzen dessen auf, was wir über die Zukunft wissen können.

Neues aus Altem - selbstorganisiert?

Die Vielfalt unserer Welt bildet sich aus dem Zusammenwirken ganz verschiedener Mitspieler: Da gibt es Elementarteilchen, aus denen sich Atome und Moleküle formen. Aus komplexen Molekülen setzen sich beispielsweise biologische Zellen zusammen. Und aus dem Wechselspiel von Zellen bilden sich wiederum Organe und schließlich komplexe Lebewesen.

Diese einzelnen Beschreibungsebenen weisen große Unterschiede auf: Jede lässt sich mit anderen Eigenschaften charakterisieren und für die zeitliche Entwicklung einer jeden haben Wissenschaftler ganz verschiedene Regeln herausgearbeitet.

Obwohl die Ebenen aufeinander aufbauen, bildet sich auf höherer Ebene Struktur, die auf unterer Ebene noch nicht vorhersehbar war. Wissenschafter sprechen von Emergenz, dem Auftreten neuer, nicht voraussagbarer Qualitäten beim Zusammenwirken mehrerer Faktoren.

Auch Physikerinnen und Physiker arbeiten mit Theorien, Computerberechnungen und Experimenten daran, das Entstehen von Neuem zu ergründen. Auf dem Seziertisch liegt dabei nichts anderes als die Vielfalt unserer Welt.

• Kausalität und die Grenzen der Vorhersagbarkeit

  
  

  Dank kausaler Beziehungen von Ursachen und Wirkungen können wir Vorhersagen über die Zukunft machen. Doch nicht erst die jüngsten Entwicklungen in der Physik zeigen, dass unsere Fähigkeiten hier begrenzt sind.  
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/7347.php)

  

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• Bewegung aus dem molekularen Chaos

  
  

  Brown'sche Motoren können sich gezielt in eine Richtung bewegen, indem sie die ungerichtete und zufällige thermische Zitterbewegung in warmen Umgebungen nutzen. Was auf den ersten Blick wie ein Perpetuum Mobile aussehen mag, liefert spannende Einblicke in Prozesse, die vielleicht auch die Natur zur Bewegung auf molekularer Ebene nutzt. 
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/8047.php)

  

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• Natur mit Ordnungssinn

  
  

  Ob Wolken, Wellen, Sandrippel oder komplexe chemische Reaktionen – unsere Welt ist voller Muster. Eine genaue mathematische Beschreibung ist dabei meist der erste Schritt zu einem besseren Verständnis, wie es zu den Regelmäßigkeiten kommt.  
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1451.php)

  

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• Selbstorganisation und Strukturbildung

  
  

  Selbstorganisation und Strukturbildung sind charakteristische Eigenschaften von Vielteilchensystemen; sie ergeben sich aus dem Zusammenwirken einer ungeheuer großen Zahl von Atomen oder Molekülen. Die dabei waltenden Ordnungsprinzipien und Naturgesetze sind erst in den letzten Jahrzehnten erkannt und zumindest teilweise verstanden worden. 
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1465.php)

  

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• Deterministisches Chaos

  
  

  Beim deterministischen Chaos wird das Verhalten von Systemen unvorhersagbar, obwohl es durch bekannte Bewegungsabläufe vorherbestimmt (= determiniert) wird. Denn kleine Anfangsstörungen verstärken sich hier mit Laufe der Zeit. 
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1447.php)

  

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• Fraktale Welt

  
  

  Fraktal heißen Objekte, bei denen das Ganze seinen Bestandteilen ähnelt. Das ist bei Bäumen der Fall, bei Kristallen, langen Polymermolekülen, aber auch Ansammlungen von Galaxienhaufen.  
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1453.php)

  

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• Selbstordnung kritisch betrachtet

  
  

  Ob bei Flüssigkeiten, Supraleitern oder Magneten - in vielen Systemen gibt es so genannte kritische Temperaturen, unterhalb derer sich neue Strukturen bilden. Die Natur lässt sich dabei jedoch nur mit nobelpreiswürdiger Mathematik in die Karten schauen. 
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/4259.php)

  

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• Selbstähnlichkeit bei der Tropfenbildung

  
  

  Wenn es tropft, müssen auch mathematische Physiker tief in die theoretische Werkzeugkiste greifen: Die Idee der Selbstähnlichkeit hilft dabei, das Abschnüren von Tropfen vorherzusagen. 
  [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/5788.php)

  

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