ESSENER UNIKATE 11

Naturwissenschaft Physik – Unordnung und Selbstähnlichkeit (1997)

Dass kleine Störungen nur kleine Auswirkungen haben, ist ein Charakteristikum vieler, wenngleich nicht aller physikalischen Vorgänge. Mehr als drei Jahrhunderte nach der Begründung der Mechanik war die Zeit reif für die Erkenntnis, dass robuste, auch regulär genannte Bewegungen in der Natur eine Ausnahme darstellen. Irregularität, also extreme Störanfälligkeit oder auch „Chaos“ ist bei weitem häufiger anzutreffen. Zu diesem Themenbereich berichten Mitglieder des an den Universitäten Essen, Bochum, Düsseldorf und Wuppertal angesiedelten DFG-Sonderforschungsbereichs „Unordnung und große Fluktuationen“ aus der Perspektive der theoretischen Physik von ihren aktuellen Forschungsarbeiten. 108 Seiten.

Federführung Fritz Haake ISBN 3–934359–11–6
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Aus dem Inhalt

Hans Joachim Schlichting

„Die Strukturen der Unordnung – Chaosphysik – zwischen Zufall und Notwendigkeit“

Wir glauben, dass alles in der Welt eine Ursache hat – der Erfolg westlicher Wissenschaft hat offenbar die Vorstellung von der Kausalität fest in unserem Bewusstsein verankert. Doch bereits ein einfacher Würfelwurf zeigt Grenzen auf: Zwar lassen sich mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung die Chancen auf ein bestimmtes Ergebnis hin kalkulieren, der einzelne Wurf aber bleibt ein Produkt des Zufalls. Auch die Quantenphysik und die Relativitätstheorie haben mit ihren Erkenntnissen den Glauben an die universelle Geltung der Kausalität erschüttert. Inzwischen ist es vor allem die „Chaosphysik“, die uns zeigt, dass kleinste zufällige Schwankungen in Systemen zu enormen Auswirkungen führen können und dass Ursachen auch als „Wirkung ihrer eigenen Wirkung“ verstehbar sind.
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Jens Eggers

„Wie tropft ein Wasserhahn? – Selbstähnlichkeit als ordnende Kraft“

Was charakterisiert die Geschichte eines Tropfens? Verkleinertes wird im selben Verhältnis nochmals verkleinert – der Flüssigkeitshals, der sich beim Lösen vom Wasserhahn bildet, wird immer dünner. Überall da, wo sich einem Phänomen keine feste Skala zuordnen lässt, ist Selbstähnlichkeit die ordnende Kraft. Dies gilt für die gewaltige Expansion des Universums und für Luftwirbel ebenso wie für einen einfachen Tropfen.
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Joachim Krug

„Wer hat, dem wird gegeben – Strukturbildung durch Wachstumsprozesse“

Wer den Begriff „Chaosphysik“ hört, denkt in der Regel an „Fraktale“ in der Form computergenerierter Mandelbrotmengen. Doch wie entsteht eine solche selbstähnliche Struktur, bei der beliebig herausgegriffene Ausschnitte nach geeigneter Vergrößerung der Struktur in ihrer Gesamtheit ähnlich sehen? Winzigste Abweichungen werden exponentiell verstärkt, und nachdem sich eine makroskopisch strukturierte Wachstumsform eingestellt hat, verstärken Wachstumsinstabilitäten diese Entwicklung.
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Fritz Haake

„Das Ohr liebt Chaos – Unordnung bei Wellen und Quanten“

Auch in der Physik der Wellen – etwa bei der Untersuchung des Schalls im Konzertsaal, bei Wasserwellen, bei Mikrowellen oder selbst bei atomaren Schwingungen – lassen sich „reguläre“ und „chaotische“ Prozesse unterscheiden. In diesem Bereich haben die Ansätze der „Chaosphysik“ dabei geholfen, die Erkenntnisse der Quantenphysik weiter zu präzisieren. So kann man – grob charakterisiert – heute sagen, dass die klassische Physik für atomare Prozesse nicht nur unzuständig ist, sondern auch unnötig kompliziert.
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Robert Graham

„Chaos im frühen Universum – An der Grenze der physikalischen Realität“

Bei der Entstehung des Universums wurden seine späteren physikalischen Eigenschaften aus der Vielfalt der denkbaren Alternativen, die in seiner quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsverteilung enthalten sind, möglicherweise gezogen wie Nummern bei einer Lottoziehung – bei der allerdings nicht das „klassische Chaos“ Regie führte, sondern Wahrscheinlichkeiten quantenmechanischen Ursprungs.
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Gregor Hackenbroich

„Robuste Smokingfliegen – Mikrolaser in chaotischen Resonatoren“

„Chaosphysik“ ist in erster Linie Grundlagenforschung. Doch inzwischen sind an den Randbereichen dieser theoretischen Disziplin, in denen sie sich mit anwendungsorientierter Forschung überschneidet, vielfältige Synergieeffekte entstanden. An der Universität Essen werden diese Bereiche inzwischen gezielt ausgebaut – beispielsweise für die weitere Miniaturisierung von Mikrolasern.
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Hans-jürgen Sommers, Yan Fyodorov

„Chaos durch Kälte – Mesoskopische Quantenphysik und chaotische Streuung“

Unter extremer Kälte ist es nicht mehr möglich, kleine elektronische Bauelemente mit bestimmten vorgegebenen Eigenschaften herzustellen – jedes einzelne Bauteil verhält sich in einer zufälligen, unvorhersagbaren Weise. Der Weg zum Verständnis dieses Phänomens führt über die Erkenntnis der Wellennatur der Elektronen und ihrer Möglichkeit zur Interferenz in das Feld der mesoskopischen Physik, die sich mit den quantenmechanischen Eigenschaften von Objekten beschäftigt, die sehr viele Atome enthalten.
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Hans Werner Diehl

„Wenn der Rand beliebig dick wird – Kritische Phänomene an Grenzflächen“

Kritische Phänomene treten in so verschiedenartigen Systemen wie Flüssigkeiten, Magneten, Legierungen, Flüssigkeitsgemischen oder der Quantenflüssigkeit Helium an stetigen Phasenübergängen auf. Während sonst Begrenzungen wie Oberflächen, Grenzflächen oder Wände das System häufig nur innerhalb einer mikroskopisch dünnen Randschicht stören, wird diese hier bei Annäherung an den Phasenübergang makroskopisch dick.
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Lothar Schäfer

„Wenn der Teil dem Ganzen ähnelt – Das Irrflugmodell der Polymerlösungen“

Viele Lösungen langer Kettenmoleküle besitzen physikalische Eigenschaften, die von der chemischen Zusammensetzung unabhängig sind. Diese „universellen“ Eigenschaften werden durch ein geometrisches Symmetrieprinzip, die „Selbstähnlichkeit“ des gelösten Polymerknäuels, quantitativ erklärt.
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