Frage von grtgrt, 41

Wo findet sich eine verständliche Beschreibung der Theorie dissipativer Strukturen von Ilya Prigogine?

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 28

Soweit ich weiß, gibt es noch keine populärwissenschaftliche Darstellung dieser Theorie. Könnte gut sein, dass ich mich des Themas annehme, sobald mein derzeitiges Buchprojekt abgeschlossen ist.

Es gibt einige Bücher, die sehr fachlich sind und vor allem die Mathematik vorstellen, aus denen man aber nur schwer die Bedeutung dieser Theorie herleiten kann, z.B:
Ilya Prigogine, Die Gesetze des Chaos. Das ist eine reine Aufzählung der mathematischen Werkzeuge
Ilya Prigogine, Vom Sein zum Werden: das ist auch sehr stark theoretisch orientiert mit eingestreuten Erläuterungen

Am ehesten kommt da in Frage:
Stengers, Prigogine, "Das Paradox der Zeit". Das ist eine wissenschaftsphilosophische Erläuterung der TDS (Theorie Dissipativer Strukturen), die noch am ehesten allgemeinverständlich den Inhalt, die Bedeutung und die Auswirkungen der TDS aus Sicht der 1980er Jahre darstellt. Dieses Buch kann ich durchaus empfehlen, es ist aber nur noch in Antiquariaten/Gebrauchtbuchhandel erhältlich.

Ansonsten könntest du googlen. Da finden sich mehrere wissenschaftliche Aufsätze/Vorlesungsskripts, in denen die Grundzüge der TDS sowie ihre Weiterentwicklung bis in die heutige Zeit verfolgt werden können.
Ein Beispiel wäre:
http://www.google.de/url?q=https://www.usf.uni-osnabrueck.de/fileadmin/DE/Institut/Mitarbeiter/Malchow/uploads/skript02.pdf&sa=U&ved=0ahUKEwjg37mdlZHOAhVL2xoKHagBBgcQFggWMAA&usg=AFQjCNH4AQh9D-gggXDCAck7Oqd8jvnxrg

Kommentar von grtgrt ,

Vielen Dank für die hilfreiche Einordnung der 3 Bücher.

Frage noch: 

Könnte man dissipative Strukturen so verstehen, dass sie eine Art Gleichgewicht im Ungleichgewicht schaffen (in dem Sinne, dass die ständige Einspeisung von Energie ins System - der durch sie befeuerte Kampf gegen den Zusammenbruch von Gleichgewicht im System - verhindern, dass dieser Zusammenbruch sich vollendet?

Kommentar von Hamburger02 ,

Da bin ich ja direkt begeistert. Da hast du sozusagen sowas von ins Schwarze getroffen. Das ist genau der Punkt, an dem sich die klassische Physik (lineare Dynamik, deterministisch, reduktionistisch, nahe des thermodynamischen Gleichgewichtes, Newton, Einstein, Planck, streng kausal) von der neuen Physik Prigogines (nichtlinear, indeterministisch, irreduzibel, irreversibel, stochastisch, emergent) unterscheidet.

In der klassischen Dynamik gilt das Gesetz der großen Zahl von Boltzmann. Kleine Fluktuationen auf der Mikroebene verlieren sich im statistischen Mittel auf der Makroeben. Dadurch fordert der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Unordnung immer nur zunimmt, die Entropie stets zum Maximum strebt.

In der nichtlinearen Dynamik kann der Begriff der Unordnung im Zusammenhang mit der Entropie nicht mehr verwendet werden. Prigogine hatte entdeckt, dass es Strukturen gibt, bei denen das Boltzmannsche Chaos lokal aufgehoben wird und sich in diesem eng begrenzten Gebiet ein stationäres Fließgleichgewicht einstellen kann, das fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes (Entropiemaximum) liegt und dort durch ständige Energieentwertung (Energiedissipation= Entropieproduktion) aufrecht erhalten werden kann. Solche Strukturen bezeichnet Prigogine als Dissipative Strukturen.

Kommentar von Hamburger02 ,

Da hätte ich doch fast noch ein interessantes Buch vergessen, und dabei habe ich es sogar doppelt im Regal. 

Prigogine/Stengers, Dialog mit der Natur.

Das Buch beruht zwar auf der TDS, stellt sie aber nur vom Inhalt vor, ohne allzu physikalisch, chemisch oder mathematisch zu werden. Grundlagenkenntnisse sollten aber schon vorhanden sein. Hier beschreibt Prigonie sozusagen die philosophischen Auswirkungen seines Lebenswerkes im Lichte der Wissenschaftsgeschichte und entwirft ein atheistisches, mit der Natur versöhnlich umgehendes Weltbild. Teils argumentiert er auch gegen Wissenschaftsgläubigkeit und spricht den Physikern ihre selbsterklärte Kompentenz für die gesamte Welterklärung ab. 

Das Buch entstand etwa zur selben Zeit (1980) wie die Kurze Geschichte der Zeit von Hawking (1988). Beide sind eher populärwissenschaftlich ausgerichtet. Während Hawking anfangs gefeiert wurde, entfernt er sich selber mehr und mehr, nicht zuletzt auch wegen Prigogine, von einigen Aussagen und sogar ganzen Kapiteln.

Die wahre Bedeutung Prigogines erkennt man erst seit gut 10 Jahren mehr und mehr und die von ihm angekündigte fachübergreifende wissenschaftliche Revolution findet  inzwischen tatsächlich breitrahmig statt.


Kommentar von Astroknoedel2 ,

Warum ist die Theorie dissipativer Strukturen angeblich so revolutionierend ? 

Kommentar von Hamburger02 ,

Gute Frage. Da muss ich mich aber auf wenige Stichworte ohne große Erläuterung beschränken.

Die bedeutensten Physiker sind:
Newton: begründete die Physik der Erde (Mesoksmos)
Einstein: begründete die Physik des ganz großen (Makrokosmos)
Planck: begründete die Physik des ganz kleinen (Mikrokosmos)
Prigogine: begründete die Physik des Lebendigen (Biokosmos)

Einstein und Planck erweiterten die Physik, ohne allerdings das Weltbild und die Methodik zu ändern und deren Einfluss außerhalb der Physik ist auch eher gering.

Newton und Prigogine änderten zusätzlich zur Physik das Weltbild und die wissenschaftliche Methodik. Sie übten beide enormen Einfluss auch auf andere Wissenschaftsbereiche aus.

Vor Newton galt ein religiös geprägtes mythologisch-gesamtheitliches Weltbild. Basierend auf Descartes entwickelte Newton das mechanistische Weltbild weiter und führte die Analyse in die Physik ein. Das resultierende Weltbild war der Determinsmus. Die große Leistung bestand darin, dass viele Phänomene nun nicht mehr durch göttlichen Einfluss sondern mit Naturgesetzen begründet werden konnten. Die Newtonsche Physik bewirkte mit ihrer Methodik allerdings das Schisma zwischen Natur- und Geisteswissenschaften, da die physikalische Methodik für andere Bereiche völlig untauglich war. Nur in einem Randbereich der Physik, der Thermodynamik, wurde von jeher eine andere Methodik angewendet. Anstatt der analytischen gilt dort die systemische Betrachtungsweise.

Prigogine hat das mechanistische Weltbild und den Determinismus als Grenzfall in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes erkannt und stellt fest, dass aber das Meiste um uns herum sich fernab des thermodynaimschen Gleichgewichtes bewegt und die klassische Physik da völlig versagt. Das liegt daran, dass die klassische Physik nur Zustände und Prozesse, aber keine einmaligen Ereignisse kennt. Einmalige Ereignisse, die neue Emergenzen erzeugen, wurden von Prigogine eingeführt.

Im Rahmen der Theorie Dissipativer Strukturen führte Prigogine einiges neues in die Physik ein:
- einmalige Ereignisse, die zu Emergenzen führen. In der klassischen Physik gab es nur Zustände und Prozesse
- er führte den Zeitpfeil ein und stellt fest, dass die kosmologische Zeit als geometrischer Parameter nur einen Grenzfall in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes darstellt
- er überträgt die systemische Methodik der Thermodynamik auf die gesamte Wissenschaft und hofft, damit das Schisma zwischen Natur- und Geisteswissenschaften zu überwinden
- er zeigt, dass die Welt insgesamt indeterministisch arbeitet
- er hat die bekannten Naturgesetze um den Zeitpfeil erweitert, wozu er von einer streng kausalen zu einer probabilistischen Beschreibung übergehen musste

Die Auswirkungen werden mehr und mehr deutlich.

Mit seiner neuen nichtlinearen Dynamik können nun Probleme bearbeitet werden, die die klassische Physik aus gutem Grund bislang völlig ignoriert hatte.

Einige Ergebnisse:
Prigogine löst die 3 großen Paradoxa der klassischen Physik:

- Quantenparadoxon (zusammenbruch der Wellenfunktion): Durch die Erweiterung der Quantenmechanik (QM) um den Zeitpfeil bricht keine Wellenfunktion mehr zusammen. Das war ein Problem der deterministischen Betrachtungsweise.

- Kosmologisches Paradoxon: Das der Urknall eine Síngularität sei, ist ebenfalls ein detrministisches Problem, weil mit der klassischen Physik der Übergang von der Energie zur Materie zu Beginn des Urknalles nicht beschrieben werden konnte. Prigogine betrachtet diesen Vorgang nicht als Prozess sondern als dissipatives Ereignis. Er berechnete mit seiner Physik dieses Ereignis um dabei festzustellen, dass diese Umwandlung die größte Dissipative Struktur darstellte, die das Universum jemals gesehen hatte. Der notwenidige Entropieexport bei einer dissipativen Struktur erfolgte in Form der Hintergrundstrahlung. Prigogine berechnete die Temperatur, die die Hintergrundstrahlung bei dieser Betrachtung haben müsste und seine Berechnungen wurden durch Messungen exakt bestätigt. Eine Singularität gibt es bei Prigogine nicht mehr.


Kommentar von Hamburger02 ,

….Fortsetzung

- Das Zeitparadoxon: in der klasssichen Physik waren theoretisch Zeitreisen in die Vergangenheit möglich. Das führte zum sogenannten Großvaterparadoxon, Paralleluniversen, Zeitschleifen und anderen Widersprüchen. Prigogine zeigt nun, dass für komplexe Strukturen fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes, also z.B. für Menschen, die Zeit nicht nur ein geometrischer Parameter ist sondern dass es real einen naturgesetzlichen Zeitpfeil gibt, die sogenannte thermodynamische Zeit, die eine Reise in die Vergangenheit prinzipiell ausschließt. Daran ist der letztlich 2. Hauptsatz in seiner neuen Formulierung schuld.

In allen Human-, Bio-, Sozial- oder Wirtschaftswissenschaften wird die TDS breit adaptiert, weil nun die erweiterte nichtlineare Physik mit ihrer systemisch-thermodynamischen Betrachtungsweise viele Phänomene physikalisch erklär- und vor allem berechenbar macht. So kann jetzt z.B. die Enstehung von Geist und Bewusstsein, die Entsheung von leben, die Evolution, die Funktion von Wirtschafts- und Gesellschaftssystemen und vieles andere rein naturgesetzlich erklärt werden. ohne eine transzendente Entität (meistens Gott genannt) bemühen zu müssen.

Anfang letzen Monats hatte ich das Vergnügen, bei einer gemeinsamen Reise mit einem der führenden deutschen Forscher für Ökosystemforschung ausführlich über Prigogine zu diskutieren. Er bestätigte, dass es ohne Prigogine seinen Forschungsbreich gar nicht gäbe, da erst die neue nichtlineare Dynaik ermöglicht, die Stoff- und Energieströme in komplexen Systemen komplett durchzurechnen und zumindest für gewisse Zeitspannen das Verhalten von Ökosystemen bei Änderung der Randbedingungen vorherzusagen.

Kommentar von grtgrt ,

Mir ist leider nicht klar, was genau Sie unter der neuen Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik verstehen.

Kommentar von Hamburger02 ,

In erster Linie wird eine Trennung zwischen der im System erzeugten Entropie und der über die Systemgrenzen gehenden Entropie eingeführt. 

dS = dSi + dSe

Aus dem Verhältnis von dSi zu dSe kann dann ein bestimmtes Verhalten der dissipativen Struktur abgeleitet werden.

Weiter legt Prigogine den Schwerpunkt nicht wie in der klassischen Thermodynamik auf den absoluten oder spezifischen Entropiebetrag sondern auf die Entropieproduktionsrate, also dS/dt

Insbesondere bei zwei Phasen in der Entwicklung eines dynamischen komplexen Systems kommt das zum Tragen.

Da wäre das Prinzip der maximalen Entropieproduktion
dS/dt = max., das immer beim Übergang von der Ordnung zum Chaos und dem Enstehen einer höheren Ordnunsgstruktur (Bifurkation, Emergenz) auftritt

sowie das

Prinzip der minimalen Entropieproduktion dS/dt = min., das immer dann auftritt, wenn sich die neue Ordnungsstruktur stabilisiert und optimiert bzw. auch bei Vorgängen der Resilienz auftritt.

Kommentar von grtgrt ,

Und wie erkennt man nun, dass eine auf diesen neuen Schwerpunkten aufbauende neue Formulierung des 2. Hauptsatzes das Zeitparadoxon beseitigt?

Kommentar von Hamburger02 ,

Gar nicht. Die Argumentation zur Aufhebung des Zeitparadoxons geht anders. Die erwähnte Erweiterung des 2. HS an sich dient der Berechnung disspativer Strukturen. Erst die Erweiterung der Newtonschen und Einsteinschen Gesetze um den Zeitpfeil verhindert nun Zeitreisen.

In der klassischen Dynamik, über Isaac Newton hinweg und selbst noch bei Albert Einstein ist Zeit immer reversibel verstanden worden. Ebenso spielt es bei keiner physikalischen Beschreibung eine Rolle, wann genau etwas stattfindet. Freier Fall, Impulsübertragungen oder der Doppler-Effekt sind also beispielsweise nicht an bestimmte Zeitpunkte gebunden und jeder dieser beschreibbaren Prozesse kann genauso gut umgekehrt ablaufen. Die Naturgesetze sollten universal gelten, Vergangenheit und Zukunft sind selbst noch in der Relativitätstheorie identisch und können nicht unterschieden werden. Deren lokale Zeit als Zeit des Beobachters ist zwar eine subjektive, aber dennoch eine reversible. Dieser Gedanke der reversiblen Zeit widerspricht jedoch nicht nur unserer Alltagserfahrung, sondern auch unserer Kenntnis der irreversiblen Prozesse im Rahmen anderer Naturwissenschaften wie beispielsweise der Evolution in der Biologie.

Die klassische Dynamik hat die Irreversibilität, die aus dem 2. Hauptsatz folgt, immer nur als Näherungsfehler durch die Grobkörnigkeit des Universums betrachtet. Boltzmann hatte zwar anfangs behauptet, der 2. HS habe naturgesetzlichen Charakter, wurde deswegen aber von den etablierten deterministischen Physikern ziemlich gemobbt. Um nicht aus dem Wissensschaftsbetrieb ausgeschlossen zu werden, ließ er sich auf den Formelkompromiss ein, der 2. HS sei bloß eine Näherungslösung oder ein reiner Erfahrungssatz. Darunter litt Boltzmann sein Leben lang, weil er es ja besser wusste, bis er sich aus lauter Verzweiflung das Leben nahm. Prigogine hat nun aber nachgewiesen, dass Boltzmann Recht hatte und der 2. HS naturgesetzlichen Charakter habe, dem sich auch die klassische Dynamik nicht entziehen könne. Irreversibiltäten schließen aber Zeitreisen in die Vergangenheit aus, da dadurch die Gesamtentropie abnehmen müsste, was aber nicht geht. Dementsprechend hat Prigogine die RT erweitert und in der Erweiterung ist die Zeit nicht mehr nur ein geometrischer Parameter, der vorwärts und rückwärts laufen kann sondern ist an die Zunahme der Entropie gebunden.

Die Irreversibilität, also die Unumkehrbarkeit aufgrund der Entropieproduktion, spielt eine konstruktive Rolle: Die Entstehung des Lebens wäre ohne sie undenkbar. Gegen Kritiker, die Geschichtlichkeit als bloße Erscheinung bezeichnen, erwidert Prigogine: „wir sind die Kinder des Zeitpfeils, der Evolution, und nicht seine Urheber“.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Also ich persönlich habe bisher nur am Rande etwas von der Theorie dissipativer Strukturen mitbekommen, aber das hört sich doch ganz interessant an.  Als Physiker muss man alles neue akzeptieren, auch wenn es das alte Weltbild umwirft (trotzdem ist es möglich, dass sich das alles noch als unbrauchbar entpuppt).

Kommentar von Hamburger02 ,

Das ist normal, denn wir sind jetzt erst in der Phase, wo das neue Wissen die Unis verlässt und in die Bevölkerung überschwappt. Hoffe, meinen Teil dazu beizutragen.

In der Theoretischen Physik gehört die Theorie Dissipativer Strukturen bzw. die nichtlineare Dynamik inzwischen zum Standardvorlesungsstoff spätestens im Masterstudiengang.

Es gibt auch schon erste Anwendungen, speziell in der Hirnforschung. Da wurde z.B. ein Gerät entwickelt, dass die Entropieproduktion des Gehirns ermittelt und daraus den Bewusstseinszustand errechnet, genauer als es bisher der beste Anästheist hätte machen können.

Kommentar von Hamburger02 ,

Ergänzung: im Prinzip widerlegt Prigogine nicht die klassische Physik sondern erweitert sie. Die klassische Physik funktioniert nur in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes und stellt damit den linearen Grenzfall innerhalb der nichtlinearen Dynamik dar.

Sobald man in der Nähe des  thermodynamischen Gleichgewichts rechnet, bekommen die um den Zeitpfeil erweiterten Naturgesetze wieder ihre alte Form. Das liegt daran, dass die thermodynamische Zeit Prigogin's in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes zur bekannten kosmologischen Zeit Einsteins wird.

Kommentar von Franz1957 ,

Hier der Link von störendem digitalem Verpackungsmaterial befreit:

https://www.usf.uni-osnabrueck.de/fileadmin/DE/Institut/Mitarbeiter/Malchow/uplo...

Kommentar von Hamburger02 ,

Danke, das habe ich leider nicht geschafft. ;-)

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