Was ist der "Schmetterlingseffekt"?

Oliver Melchert antwortete

Was eigentlich steckt hinter dem Mythos eines Schmetterlings, der mit seinem Flügelschlag über Brasilien einen Tornado in Texas auslöst? Grundsetzlich lässt sich eine Wirkungskette so oft nicht nachvollziehen, ist also Fiktion. Der Kerngedanke "kleine Ursache, grosse Wirkung" hingegen steht auf einem serösen naturwissenschaftlichen Fundament. Der populäre Ausdruck "Schmetterlingseffekt" beschreibt tatsächlich die "Sensitivität gegenüber einer Änderung der Anfangsbedingungen", die im Kontext der Chaostheorie auftritt. Der Begriff "Chaos" soll aber nicht bedeuten, dass richtiger Zufall (wie bei radioaktivem Zerfall) im Spiel ist, denn beobachtbare Effekte gehen auf streng deterministische Prozesse zurück. Dabei können die zugrundeliegenden deterministischen Regeln sogar sehr einfach sein, das beobachtete Verhalten aber trotzdem sehr komplex und schwer vorherzusagen.

Um das zu verdeutlichen genügt ein einfaches Würfelexperiment. Das Werfen eines Würfels folgt festen physikalischen Regeln: der Wurf an sich, das Auftreffen des Würfels auf der Unterlage und das Abrollen auf derselben bis hin zu seinem Stillstand. Eine wiederholte Ausführung des Experimentes wird aber nicht stets das gleiche Ergebnis liefern. Der Grund hierfür ist, dass es dem Spieler einfach nicht gelingt die Anfangsbedingungen des ersten Wurfs genau zu wiederholen. Schon eine minimale Änderung kann zu zu einem völlig anderen Ergebnis führen.

Bei einem Würfel kann man im Prinzip noch alle Einflussfaktoren genau beschreiben. Oft ist sogar das nicht möglich, wie zum Beispiel bei der Wettervorhersage mit Großrechnern. Die Eingangsdaten werden durch ein Netz von Wetterstationen und Satellitendaten geliefert. Das ergibt jeden Tag eine riesige Datenmenge die aber trotzdem das Wetter nur mit bestimmter Ortsauflösung "gerastert" darstellt. Weiterhin beeinflussen sich die vielen Einflussgrößen gegenseitig in sehr komplexer Weise. Als Resultat werden kleine Fehler in den Messdaten, im Zusammenspiel mit den dem Wettermodell zugrundeliegenden Regeln im Verlauf der Computerberechnung sehr stark anwachsen, so dass eine langfristige Wetterprognose nicht möglich ist.

BildOliver Melchert (geb. 1980) studierte von 2000-2005 Physik an der Justus-Liebig Universität Giessen. 2006 schloss er sich als Doktorand Alexander K. Hartmanns Nachwuchsgruppe "Komplexe Grundzustände Ungeordneter Systeme" an der Georg-August Universität Göttingen an. Seit Mitte 2007 ist er Teil der Gruppe "Computerorientierte Theoretische Physik" an der Carl-von-Ossietzky Universität Oldenburg. Er arbeitet auf dem Gebiet der statistischen Physik und beschäftigt sich mit der Simulation ungeordneter magnetischer Materialien.

Weitere Fragen und Anmerkungen an: oliver.melchert(at)uni-oldenburg.de