Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das ganze Leben besteht aus sich wandelnden Mustern

05.06.2012
Physiker der TU Chemnitz erforschen die Dynamik von Mustern, die Phänomenen in der Natur zugrunde liegen - Veröffentlichung in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters"

Unendlich viele Formen bilden die Wolken am Himmel und die Sanddünen am Strand. Zumindest meint man dies als Beobachter. Doch in der Realität lassen sich die vorkommenden Muster aus einer endlichen Anzahl von Grundmustern zusammensetzen.

Physiker der Technischen Universität Chemnitz haben ein Verfahren entwickelt, das es ermöglichen kann, dieses Phänomen nicht nur zu berechnen, sondern tatsächlich in der Natur zu messen. Die Arbeit der Professur Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

"Das Phänomen gilt für räumlich ausgedehnte Systeme, in denen sich zeitlich ständig verändernde Muster und Strukturen ausbilden", sagt Prof. Dr. Günter Radons, Inhaber der Professur. Beispiele sind Strömungen, die etwa beim Aufheizen von Flüssigkeiten oder Gasen entstehen. Mathematiker und Physiker wissen seit Langem, dass sich die dort auftretenden Musterbildungsprozesse auf eine begrenzte Zahl von Grundmustern zurückführen bzw. effektiv durch eine endliche Zahl von Freiheitsgraden beschreiben lassen.
Das liegt an Reibungsprozessen, die dafür sorgen, dass sich die Zustände nur noch auf einem endlich dimensionalen geometrischen Objekt bewegen - der so genannten Inertialmannigfaltigkeit. "Mathematisch ist die Existenz dieses geometrischen Objektes zumindest teilweise bewiesen. Gemessen hat es aber noch niemand, nicht einmal dessen Dimension. Mit unserem Verfahren können wir jetzt eine Orientierung dafür geben, wie solche Messungen durchzuführen sind", so Radons.

Veränderungen von beispielsweise Wolken, Dünen und Strömungen lassen sich durch den gleichen Typ von Gleichungen beschreiben, durch dissipative partielle Differentialgleichungen. Die Chemnitzer Physiker haben anhand solcher Gleichungen beobachtet, wie sich Muster im Zeitverlauf entwickeln. Dann haben sie Störgrößen an die Anfangsmuster angelegt und die dadurch entstehenden veränderten Strukturen untersucht. Dieses Verfahren bringt einen hohen Rechenaufwand mit sich. "Wir haben den Compute-Cluster Trinity+ bei uns am Institut für Physik genutzt, aber auch die Kapazitäten in Rechenzentren zum Beispiel in Jülich und Stuttgart", berichtet Radons und ergänzt: "Um den Rechenaufwand durch Parallelisierung zeitlich zu reduzieren arbeiten wir an der TU mit der Professur Praktische Informatik fakultätsübergreifend zusammen." Mit ihren Ergebnissen wollen die Wissenschaftler jetzt Kollegen aus der experimentellen Physik Anleitungen geben, wie diese zu entsprechenden Messgrößen kommen können. "In der realen Welt sind die zugrunde liegenden Gleichungen oft nicht genau bekannt. Durch die Messungen könnten wesentliche Aspekte dieser Gleichungen erschlossen werden", erklärt Radons. Außerdem werde es möglich zu bestimmen, aus wie vielen Grundmustern sich ein Muster zusammensetze - denn das ist für jedes Naturphänomen anders.

"Wir sind in Chemnitz im Jahr 2002 und damit sehr früh in die zugrunde liegende Methodik, die sogenannte Lyapunovanalyse, eingestiegen. Deshalb bewegen wir uns jetzt an der Weltspitze", sagt Radons. So sei es auch gelungen, die Ergebnisse in "Physical Review Letters" zu veröffentlichen. "Das ist die weltweit renommierteste Physikzeitschrift. Artikel, die dort angenommen werden, müssen sozusagen die ganze Welt bewegen - sie müssen allgemeine Relevanz haben und sehr innovative Aspekte beinhalten", sagt Radons.

Die jetzt veröffentlichten Chemnitzer Arbeiten seien Grundlage für die Forschung ganz verschiedener Disziplinen, von der Mathematik über die Biologie und Geologie hin zur Astronomie. "Ob man sich mit Spiralgalaxien im Weltraum oder mit dem Pilzwachstum in einer Petrischale beschäftigt, überall liegen musterbildende Systeme zugrunde", sagt Radons und fasst zusammen: "Das ganze Leben besteht aus sich wandelnden Mustern." Bereits heute spielen die behandelten Konzepte eine wesentliche Rolle zum Beispiel für die Wettervorhersage. "Meteorologen arbeiten bei ihrer Modellierung mit Gleichungen, die mit Hilfe unserer Arbeit noch effektiver zur Vorhersage eingesetzt werden können", so Radons. Dafür seien aber auch weitere Forschungserfolge auf dem Gebiet der Datenanalyse nötig, die jetzt gezielt vorangetrieben würden.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im internationalen Journal "Physical Review Letters" veröffentlicht: Yang, H., Radons, G., Geometry of Inertial Manifolds Probed via a Lyapunov Projection Method. Phys. Rev. Lett. 108, 154101 (2012), Online-Zugang unter: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i15/e154101

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Günter Radons, Telefon 0371 531-33212, E-Mail radons@physik.tu-chemnitz.de

Katharina Thehos | Technische Universität Chemnitz
Weitere Informationen:
http://www.tu-chemnitz.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht
29.05.2017 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise