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2022 | OriginalPaper | Chapter

6. Die Geburt des Zufalls in komplexen Systemen

Author : Bernhard Weßling

Published in: Was für ein Zufall!

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Anhand charakteristischer Beispiele aus der Biologie (Biochemie, Evolution), dem Wetter, Klimageschehen, komplexen Netzwerken und der Kosmologie („Urknall“) wird die Dynamik und Nicht-Linearität von Nicht-Gleichgewichts-Systemen näher beleuchtet. Es wird klar, dass höhere Organisationsebenen der Materie ihre eigenen, im Vergleich zu niedrigeren Ebenen neue Gesetze entwickeln. Emergenz von Eigenschaften und Gesetzen ist ein wichtiger Aspekt. Das nicht-lineare Verhalten dieser komplexen Systeme ist die Ursache für das Auftreten des Zufalls. Abschließend erklärt uns das Phänomen der Dekohärenz, warum die Quanten (Elementarteilchen) mit ihrer Unbestimmtheit den Zufall in der makroskopischen Welt nicht bewirken können.

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Footnotes
2
J. Monod, a. a. O. S. 72/73
 
4
Vor bereits 50 Jahren veröffentlichte der Physiker P. W. Anderson in Science (Vol 177, S. 393–396, 1972) einen wegweisenden Artikel mit dem Titel „More is Different“. Darin macht er deutlich, dass mit dem Auftreten von mehr Bestandteilen in einem System Komplexität entsteht und damit neue Eigenschaften („Emergenz“). Er hält es deshalb nicht für angemessen zu glauben, dass man alle Phänomene und Gesetzmäßigkeiten auf komplexeren Ebenen der Materie durch eine noch so genaue Analyse der darunter liegenden Ebenen ihrer Bestandteile verstehen könnte. Siehe auch Abschnitt „Selbstorganisation“ in Kap. 4
 
6
W. Ebeling, R. Feistel, Chaos und Kosmos – Prinzipien der Evolution (Spektrum Akademischer Verlag 1994), S. 24.
 
8
Zitiert nach Merlin Sheldrake, „Verwobenes Leben“, Ullstein 2020, S. 128
 
9
Vgl. https://​www.​spektrum.​de/​lexikon/​philosophie/​reduktionismus/​1751 oder https://​de.​wikipedia.​org/​wiki/​Reduktionismus bzw als gegensätzliche Position https://​de.​wikipedia.​org/​wiki/​Holismus; Ebeling/Feistel bezeichnen die Tatsache emergenter Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten als Irreduzibilität, a. a. O. S. 64 und 65.
 
10
H. Genz, a. a. O., S. 284.
 
12
https://​www.​livescience.​com/​hawking-theory-confirmed.​html, Originalveröffentlichung: Maximiliano Isi et al., Testing the Black-Hole Area Law with GW150914, Phys. Rev. Letters, 127, 011103–1 July 2021.
 
14
Zitiert nach „DIE ZEIT“ Nr. 7, 11. 2. 2021, S. 33.
 
15
so z. B. auf S. 114 ff. in M. Eigen, R. Winkler, a. a. O.; ein Missverständnis wäre es sicher wohl auch deshalb, weil Manfred Eigen ebenfalls ein Modell der Selbstorganisation entwickelt hatte, in diesem Fall für die Entstehung des Lebens; das Modell ist bekannt unter dem Begriff „Hyperzyklus“ https://​www.​spektrum.​de/​lexikon/​biologie-kompakt/​hyperzyklus/​5806.
 
16
M. Eigen, R. Winkler, a. a. O. S. 110 ff.
 
17
M. Eigen, R. Winkler, a. a. O. S. 133 ff.
 
18
M. Eigen, R. Winkler, a. a. O. S. 125.
 
19
Edward N. Lorenz, „Predictability: Does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas?“ Titel einer Präsentation 1972 auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science; Science 320, 2008, S. 431
 
20
In Wikipedia https://​de.​wikipedia.​org/​wiki/​Wettervorhersage​ heißt es: „Heute ist eine Prognose für die kommende Woche ungefähr so zuverlässig, wie sie es vor dreißig Jahren für den nächsten Tag war. Die 24-h-Vorhersage erreicht eine Eintreffgenauigkeit von gut 90 %. Die Treffsicherheit für die kommenden 3 Tage beträgt etwas mehr als 75 %. Die Zuverlässigkeit schwankt jedoch sehr stark in Abhängigkeit von der Wetterlage. So ist es bei einer stabilen Winterhochdrucklage manchmal problemlos möglich eine Woche mit 90 % Sicherheit zu prognostizieren. Dagegen liegt die Prognosegüte bei einer instabilen Gewitterlage im Sommer oft deutlich unter 70 % für 24 h. Ebenfalls muss man bei der Prognosegüte zwischen Temperatur und Niederschlag unterscheiden. Temperaturen können deutlich genauer als Niederschlag prognostiziert werden.“
 
26
Wasserdampf ist der stärkste Faktor (stärker als CO2) im Treibhauseffekt auf der Erde, siehe u. a. https://​www.​deutsches-klima-konsortium.​de/​de/​klimafaq-8-1.​html.
 
27
A. Cooper, C. Turney, J. Palmer, A. Hogg, M. McGlone, J. Wilms und viele andere mehr, „A global environmental crisis 42,000 years ago“, Science (19. 2. 2021) Vol. 371 (Nr. 6531) 811–818, vgl. https://​science.​sciencemag.​org/​content/​371/​6531/​811, Zusammenfassung hier: https://​www.​sciencealert.​com/​earth-s-magnetic-field-flipped-42-000-years-ago-with-dramatic-consequences.
 
28
Es gibt auch Hypothesen, wonach der Ausbruch eines Supervulkans in Süditalien Hunderttausende Neandertaler getötet haben könnte, sodass dieser Ausbruch das Verschwinden der Neandertaler mindestens beschleunigt haben könnte. Vgl. https://​www.​spiegel.​de/​wissenschaft/​archaeologie-als-moderne-menschen-und-neandertaler-nachbarn-waren-a-617f8661-ad9d-489f-85ae-71261bb2b296. Der hier erwähnte Vulkanausbruch geschah etwa im gleichen Zeitraum wie die vorher erwähnte Umpolung des Magnetfelds der Erde.
 
31
https://​archive.​ipcc.​ch/​ipccreports/​tar/​wg1/​505.​htm, das komplette Dokument kann hier heruntergeladen werden: https://​www.​ipcc.​ch/​site/​assets/​uploads/​2018/​03/​TAR-14.​pdf. In einem weiteren Bericht schrieb das IPCC: „Internal variations caused by the chaotic dynamics of the climate system may be predictable to some extent. Recent experience has shown that the ENSO phenomenon may possess a fair degree of predictability for several months or even a year ahead. The same may be true for other events dominated by the long oceanic time-scales, such as perhaps the NAO. On the other hand, it is not known, for example, whether the rapid climate changes observed during the last glacial period are at all predictable or are unpredictable consequences of small changes resulting in major climatic shifts.“ https://​archive.​ipcc.​ch/​ipccreports/​tar/​wg1/​045.​htm.
 
36
Manfred Gottwald, Thomas Kenkmann, Wolf Uwe Reimold, „Terrestrial Impact Structures: The TandDEM-X Atlas“, Verlag Dr. Friedrich Pfeil 2020 (2 Bände, englisch).
 
38
Screenshot der damaligen Verlaufsvorhersage in http://​www.​hko.​gov.​hk/​en/​index.​html.
 
39
M. Sheldrake, Verwobenes Leben (Ullstein 2020), S. 246 ff.
 
41
Bild der Wissenschaft März 2021, S. 53.
 
44
Fotos des Autors.
 
50
R. Bacon und viele andere, „The MUSE Extremely Deep Field: The cosmic web in emission at high redshift“, Astronomy and Astrophysics 647 (2021) A 107 (26 Seiten), zugänglich hier: https://​www.​aanda.​org/​articles/​aa/​full_​html/​2021/​03/​aa39887-20/​aa39887-20.​html
 
51
Abb. 4 in der Pressemitteilung des CNRS: https://​www.​cnrs.​fr/​en/​first-images-cosmic-web-reveal-myriad-unsuspected-dwarfgalaxies; Abdruck mit freundlicher Genehmigung des CNRS, der Forscher Jeremy Blaizot, Roland Bacon und Thibault Garel
 
58
E. Gunzig, J. Géhéniau, I. Prigogine: Entropy and Cosmology. In: nature Vol 330, 17 Dec 1987; Prigogine, Géhéniau, Gunzig, Nardone: Thermodynamics and Cosmology. In: General Relativity and Gravitation, Vol 21, No. 8, 1989; vgl. auch Ilya Prigogine, Isabelle Stengers, „Das Paradox der Zeit – Zeit, Chaos und Quanten“, Piper-Verlag 1993 (die englische Originalausgabe erschien im gleichen Jahr)
 
59
https://​de.​wikipedia.​org/​wiki/​Hintergrundstrah​lung; hier ist es interessant zu sehen, dass im begleitenden Text zuerst davon die Rede ist, der Mikrowellenhintergrund sei extrem homogen, obwohl die Temperaturvariationen zu erkennen sind, in einem späteren Teil des Textes heißt es, dass die Temperaturdifferenzen wichtig seien für die Kosmologie und für Theorien, die die Strukturen des Universums betreffen. Nach Ebeling/Feistel, a. a. O. S. 82, sind die wichtigsten physikalischen Ursachen für die Strukturbildung u. a. das Auftreten von Gravitationsinstabilitäten, Inhomogenitäten in der ursprünglichen Verteilung und Entropieabgabe der stofflichen Materie an die Hintergrundstrahlung.
 
63
H. Haken, a. a. O. S. 14.
 
64
https://www.researchgate.net/publication/262076086_Short_History_of_Zipperling_Kessler_Co_Ormecon’s_mother_company
 
66
W. Ebeling, R. Feistel, a. a. O. S. 62.
 
69
Wenn Sie sich anschauen, wie die Entropie definiert ist (z. B. können Sie hier einiges darüber finden: https://​www.​spektrum.​de/​lexikon/​chemie/​entropie/​2971), werden Sie feststellen, dass dies alles für die Quantenebene irrelevant ist: Denn auf dieser Ebene gibt es keine Temperatur, es gibt keine „Zustandsvariablen“ wie Druck und Volumen, keine chemische Zusammensetzung. Sehr oft wird der Gedankenfehler gemacht, das wahrscheinlichkeitsgesteuerte Verhalten der Quanten mit dem Zufall auf der makroskopischen Ebene zu verknüpfen. Das ist m. E. unzulässig und führt in die Irre.
 
70
 
71
H. D. Zeh, „On the interpretation of measurements in quantum theory“, Found. Phys. 1 (1970), 69–76.
 
72
Henning Genz bezeichnet dieses Phänomen (a. a. O. S. 234 ff., v. a. 242 ff.) als „Verfestigung“, auch das finde ich sehr zutreffend.
 
74
M. Schlosshauer, „Quantum decoherence“, Physics Reports 831 (2019), 1–57, online zugänglich hier: http://​faculty.​up.​edu/​schlosshauer/​publications/​Schlosshauer_​QuantumDecoheren​ce_​PhysRep.​pdf.
 
75
G. Bacciagaluppi, The Role of Decoherence in Quantum Mechanics, Stanford Encyclopedia of Philosophy, 21. April 2020, online zugänglich hier https://​plato.​stanford.​edu/​entries/​qm-decoherence/​
 
76
Das Originalzitat lautet: „… decoherence is a normal consequence of interacting quantum mechanical systems. It can hardly be denied to occur – but it cannot explain anything that could not have been explained before. Remarkable is only its quantitative (realistic) aspect that seems to have been overlooked for long.“ H. D. Zeh, What is achieved by decoherence? In: M. Ferrero, A. van der Merve (Hrsg) New Developments on Fundamental Problems in Quantum Physics (Oviedo II, Kluver, 1997, S. 441–452; zitiert nach M. Schlosshauer a. a. O.
 
80
M. Brune, E. Hagley, J. Dreyer, X. Maître, A. Maali, C. Wunderlich, J. Raimond, S. Haroche, Observing the Progressive Decoherence of the „Meter“ in a Quantum Measurement, Phys Rev Lett 77 (24) 4887–4890 (1996).
 
86
Vgl. z. B. Walter Hehl, a. a. O. S. 47 ff. (UnterAnschn. 2.​2.​5 „Vom atomaren Zufall zur grossen Wirkung“).
 
87
M. Eigen, zitiert nach W. Hehl a. a. O. S. 50.
 
88
Daniel Kahneman (Nobelpreisträger 2002), „Schnelles Denken, langsames Denken“, a. a. O., S. 127.
 
89
ein (1) Atom, ein (1) Molekül, nicht einmal 12 oder 15 Moleküle zusammen, sind bereits ein „Stoff“; es ist noch keine Flüssigkeit, kein Festkörper; 15 Atome oder Moleküle haben kein Volumen, weisen keinen Druck auf, haben keine Oberfläche; solche Eigenschaften und damit die Entropie treten erst später auf; im nächsten Kapitel gehe ich beispielhaft auf die „metallische Eigenschaft“ ein, die sich auch erst oberhalb einer gewissen Mindestanzahl von Atomen entwickelt.
 
90
M. Eigen, R. Winkler, a. a. O. S. 87.
 
91
J. Monod, a. a. O.
 
Metadata
Title
Die Geburt des Zufalls in komplexen Systemen
Author
Bernhard Weßling
Copyright Year
2022
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-37755-7_6

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