Was ist Chaostheorie?
Die Chaostheorie bezieht sich auf das Verhalten bestimmter Bewegungssysteme, z. B. der Meeresströmungen oder des Bevölkerungswachstums, um besonders empfindlich auf winzige Änderungen der Startbedingungen zu sein, die zu drastisch unterschiedlichen Ergebnissen führen. Anders als das, was es umgangssprachlich impliziert, bedeutet Chaostheorie nicht, dass die Welt metaphorisch chaotisch ist, noch bezieht sie sich auf Entropie, durch die Systeme von Natur aus zu Unordnung neigen. Die Chaostheorie beruht auf der Unsicherheit von Messungen, der Präzision von Vorhersagen und dem nichtlinearen Verhalten scheinbar linearer Systeme.
Vor der Quantenmechanik war die Chaostheorie die erste "seltsame" Idee der Physik. Im Jahr 1900 dachte Henri Poincaré über die Beziehung zwischen Werten zu verschiedenen Zeitpunkten eines Systems nach, dessen allgemeines Verhalten genau vorhergesagt werden konnte, beispielsweise eines Planeten im Orbit. Er erkannte, dass eine Messung, wie Position, Geschwindigkeit oder Zeit, niemals genau lokalisiert werden kann, da jedes Instrument, das möglicherweise entwickelt werden könnte, eine Begrenzung seiner Empfindlichkeit aufweisen würde. Das heißt, keine Messung ist unendlich genau.
Poincaré wusste, dass Bewegung deterministisch durch eine Reihe von Gleichungen beschrieben wird, die genau vorhersagen können, wo ein Ball landet, wenn er eine Rampe hinuntergerollt wird. Er stellte jedoch die Theorie auf, dass ein winziger Unterschied in den Anfangsbedingungen, der auf fast unbedeutenden Schwankungen in einer Messung wie Masse beruht, in der Zukunft zu zwei völlig unterschiedlichen makroskopischen Ergebnissen führen könnte. Diese Theorie wurde als dynamische Instabilität bezeichnet, und spätere Wissenschaftler bestätigten die Richtigkeit seiner Ideen.
Die Chaostheorie untersucht daher, wie gut organisierte, stabile Systeme nicht immer aussagekräftige Vorhersagen für einen viel späteren Zeitpunkt liefern können, obwohl das kurzfristige Verhalten den Erwartungen eher entspricht. Tatsächlich könnten alle Vorhersagen, die sich daraus ergeben, so stark voneinander abweichen, dass sie nicht besser sind als Vermutungen. Es ist nicht intuitiv, dass ein genauerer Wert keine genauere Ausgabe liefern würde.
Der Schneeballeffekt einer winzigen Änderung der Einflussfaktoren wird als Schmetterlingseffekt bezeichnet. Diese Metapher legt nahe, dass ein Schmetterling, der mit den Flügeln flattert, ein kaum wahrnehmbarer Einflussfaktor für die Entstehung eines Hurrikans auf der anderen Seite des Globus sein könnte. Edward Lorenz führte in den 1960er Jahren die ersten Computersimulationen durch, die eine dynamische Instabilität mit tatsächlichen Gleichungen und Daten zeigten.
In einigen wichtigen Systemen, wie z. B. dem Luftdruck und den Meeresströmungen, die zu Wetter und Klima beitragen, können die Anfangsbedingungen nicht aus den späteren Bedingungen abgeleitet werden und umgekehrt. Dies ist nicht nur ein reales Szenario, das auf zu wenige Thermometer im Ozean zurückzuführen ist. Die Chaostheorie ist eine überprüfbare, mathematisch konsistente Theorie, die zeigt, dass manchmal immer präzisere Messungen in Form von Gleichungen keine immer genaueren Vorhersagen liefern, sondern so extrem divergierende Werte, dass sie praktisch unbrauchbar sind.
Einige Physiker arbeiten an Verbindungen zwischen dieser scheinbaren Zufälligkeit und einer großräumigen Struktur. Sie untersuchen Muster im globalen Klima, die Massenverteilung von Galaxien in Superclustern und Populationsvariationen auf einer geologischen Zeitskala. Sie nehmen an, dass auf makroskopischer Ebene bestimmte Arten von Organisation und Konsistenz nur durch die Unordnung und Inkonsistenz der Chaostheorie möglich wurden.