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03.03.11 · 05:45 Uhr

Ein halbes Jahrhundert mit dem Schmetterlingseffekt

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 4

Was, wirklich schon ein halbes Jahrhundert? Zugegeben, ich hatte zum ersten Mal von diesem Effekt sowie der Chaostheorie generell vor rund 20 Jahren, bei der Lektüre des Michael-Crichton-Bestsellers Jurassic Park (zu Deutsch: DinoPark), gelesen. Und so sehr mich die Figur des skeptisch-sarkastischen Mathematikers Dr. Ian Malcolm fasziniert hat - irgendwie kamen mir all die Worte, die Crichton ihn sagen ließ, eher wie wichtigtuerisches Partygeschwätz vor. Außerdem fand ich die Sache mit der Dino-DNA viel spannender.

Äh, ich schweife ab ... zurück zum Schmetterlingseffekt: Dass dieser sein 50. Jubiläum feiern kann, entnehme ich einem Artikel in der Technology Review des Massachusetts Institute of Technology: When the Butterfly Effect Took Flight von Peter Dizikes (dessen Inhalt ich hier im Wesentlichen nacherzählen werde). Und laut dem begann alles wirklich vor 5 Jahrzehnten, an einem Wintertag 1961. Der MIT-Meteorologe Edward Lorenz (Foto) arbeitete mit einem Computer-Simulationsprogramm für Wetterlagen; er hatte gerade Daten für zwölf Variablen (Temperatur, Windgeschwindigkeiten etc.) in den Rechner gefüttert, und ging sich die obligatorische Tasse Kaffee holen (was 1. angesichts der deutlich langsameren Rechner-Geschwindigkeiten jener Tage durchaus plausibel ist und 2. leider sehr nach der alten Labor-Zufalls-Entdeckungs-Legende® klingt). Und als er zurück kam, da erlebte er eine Überraschung ...

Eigentlich hatte er nur eine frühere Simulation wiederholen wollen. Aber diesmal hatte er für eine der Variablen den Wert von 0,506127 auf 0,506 abgerundet. In einer deterministisch geprägten Welt (wo gleiche Ursachen immer gleiche Wirkungen haben, und sich umgekehrt aus aktuellen Zuständen eindeutige, zuürck liegende Ausgangszustände ermitteln lassen müssten) dürfte so eine kleine Rundung auch nur einen kleinen Effekt auf das Resultat haben - doch als Lorenz mit seinem Becher Kaffee zurück kam, fand er, dass dieser Rundungsfehler, auf zwei Monate hochgerechnet, zu einer grundlegend anderen Wetterlage geführt hatte. Doch anstatt zu schimpfen, dass er nun alles noch mal von vorne eingeben müsste (was wohl bei vielen die nächstliegende Reaktion gewesen wäre), begann Lorenz nachzudenken, was es wohl bedeuten müsse, wenn so eine kleine Differenz in der Ausgangslage so drastische Konsequenzen beim Resultat zeigen kann. Das Ergebis dieser Überlegungen kondensierte sich in den folgenden Monaten zu einem Paper über Deterministic Nonperiodic Flow (pdf), das im November 1962 beim Journal of the Atmospheric Sciences eingereicht und im Januar 1963 veröffentlicht wurde (nebenstehend die erste grafische Darstellung des so genannten Lorenz-Attraktoren aus diesem Paper). Sein Fazit:

When our results concerning the instability of nonperiodic flow are applied to the atmosphere, which is ostensibly nonperiodic, they indicate that prediction of the sufficiently distant future is impossible by any mehtod, unless the present conditions are known exactly. In view of the inevitable inaccuracy and incompleteness of weather observations, precise very-long-range forecasting would seem to be non-existent.

Es wäre nun aber übertrieben zu behaupten, dass dieses Paper - das neben dem Dreikörperproblem Henri Poincarés (Hilfe, hat jemand mal 'nen Schnorchel? Ich verlasse gerade definitv meine Schwimmtiefe!) praktisch die Wurzeln der Chaostheorie legt - gleich für Aufregung in der Wissenschaft gesorgt hätte. Heute gilt die Chaostheorie, neben der Relativitätstheorie und der Quantentheorie, als einer der größten wissenschaftlichen Durchbrüche des 20. Jahrhunderts - aber erst mal schien die Bedeutung, wie der Flügelschlag eines Schmetterlings, beinahe unbemerkt zu verfliegen: Lorenz' Arbeit wurde in den folgenden Jahren außerhalb der Wetterforschungs-Literatur gerade drei Mal zitiert.

Warum eigenlich nicht "Möwentheorie"?

Aber wo kommt denn nun der Schmetterling konkret her? In dem Paper aus dem Jahr 1963 wird die Metapher nicht verwendet - aber angeblich soll Lorenz damals in einer Anmerkung gesagt haben: "Ein Meteorologe bemerkte, dass wenn diese Theorie korrekt wäre, dann könnte der Flügelschlag einer Möwe den Wetterverlauf für immer verändern." Laut Wikipedia stammt dieser Spruch aus dem Paper, das Lorenz 1963 der New York Academy of Science vorgelegt hat - der Haken ist, dass es - wie weiter oben schon erwähnt - im Journal of the Atmospheric Sciences erschien, und das wird von der American Meterological Society herausgegeben. Tatsächlich taucht der Schmetterling erstmals im Titel des Vortrages auf, den Lorenz schließlich im Jahr 1972 auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science hielt: "Predictability: Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil Set Off a Tornado in Texas?"

Man muss sich nur noch einmal den oben bereits erwähnten Lorenz-Attraktoren genauer anschauen, um eine Ahnung zu bekommen, wo der Schmetterling herstammen könnte:
Aha, also hier ist der Schmetterlings geschlüpft? Es ist zwar nicht ganz auszuschließen, dass ein ähnlicher Graph - bewusst oder unbewusst - irgendwelche Assoziationen mit der Ordnung Lepidoptera geweckt haben mag, und auch die oft geäußerte Möglichkeit, dass die 1952 erschienene Science-Fiction-Kurzgeschichte Ferner Donner von Ray Bradbury eine Rolle spielte, in der ein Zeitreisender versehentlich einen kreidezeitlichen Schmetterling zertritt und damit Chaos in seiner Gegenwart (2055) verursacht, ist nicht ganz abwegig.

Selbst Lorenz war sich nie ganz sicher, wo nun eigentlich der Schmetterling herkam, verrät aber im ersten Kapitel seines 1993 erschienenen Buches The Essence of Chaos, dass diese Metapher definitv nicht seine Idee war:

Der flatternde Falter wurde zum Symbol der Chaostheorie, die in der Folge des Washingtoner AAAS-Vortrages auch von anderen Wissenschaftsdisziplinen aufgegriffen wurde. Ob und wie der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien das Wetter verändern kann, ist übrigens anhand der Chaostheorie ebenso wenig beweisbar wie widerlegbar (ein Aspekt, der bei den Stammtischdebatten gerne übersehen wird): "If the flap of a butterfly's wings can be instrumental in generating a tornado, it can equally well be instrumental in preventing a tornado", hatte Lorenz bereits in seinem Vortrag 1972 betont. Und selbst kurz vor seinem Tod im Jahr 2008 wich er der Nachfrage lieber aus: "Selbst heute noch bin ich mir unsicher, was die korrekte Antwort wäre", sagte er in einem Vortrag.

Aber in jedem Fall hatte die kleine Ursache, der symbolische Flügelschlag in Lorenz' MIT-Labor vor einem halben Jahrhundert, definitv eine große Wirkung auf die Wissenschaft. Aber nicht unbedingt auf Lorenz' eigene akademische Karriere übrigens: Trotz meherer Jahrzehnte am MIT, trotz seiner Arbeit und deren Einfluss, wurde er nie in den Professorenstand erhoben. Und darum bemühen sich jetzt seine Kollegen - darunter der MIT-Meterologe Kerry Emanuel, der ein langjähriger Freund und Zimmernachbar von Lorenz war - ihm hier wenigstens ein würdiges Denkmal zu setzen: Derzeit läuft eine Kampagne, um Gelder für ein neues MIT-Klimaforschungszentrum aufzutreiben, das Lorenz Institute heißen soll. Denn obwohl Lorenz "nur" Meteorologe war und letztlich die Unvorhersagbarkeit des Wetters begründet hat (aus diesen Positionen erwachsen, wie sich bereits deutlich gezeigt hat, oft die schärfsten Kritiker der Klimaforscher), hielt er das Klima hingegen durchaus für berechen- und vorhersagbar, wie Emanuel bestätigt: "Er dachte nicht, dass Klimawandel im Ganzen unvorhersagbar sei, und er hätte sich über jene amüsiert, die behaupten, nur weil wir das Wetter nicht weiter als ein paar Tage vorhersagen können, gäbe es auch keine Möglichkeit, das Klima vorherzusagen."

Autor: Jürgen Schönstein· 4 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: Chaostheorie· Edward Lorenz· MIT· Schmetterlingseffekt