„Wir wollen Chaos kontrollieren“

Wie verbreiten sich Masern? Wie entwickelt sich ein Tornado? Cornelia Denz, Physikerin am neuen Center for Nonlinear Science in Münster, ist überzeugt: Solche komplexen Prozesse sind zwar schwer vorhersehbar, lassen sich aber dennoch beherrschen

CORNELIA DENZ, 43, ist Professorin am Institut für angewandte Physik der Uni Münster und Vorstandssprecherin des Center for Nonlinear Science (CeNoS).

INTERVIEW DIRK ECKERT

taz: Frau Denz, ein Wirbelsturm und die Schwankungen am Aktienmarkt haben auf den ersten Blick nicht viel miteinander zu tun. Sie behaupten das Gegenteil?

Cornelia Denz: Richtig, beides sind Phänomene, die zunächst unberechenbar erscheinen. Beides sind Beispiele für komplexe Prozesse. Wir nennen sie „nicht-linear“.

Aktienkurse gehen dann in die Höhe, wenn die Nachfrage steigt. Insofern ist der Aktienmarkt viel leichter zu erklären als ein Wirbelsturm.

Ja, ein Aktienmarkt ist ein rein zeitlich-dynamisches System. Ein Wirbelsturm entwickelt sich auch räumlich. Aber die Prinzipien dahinter sind dieselben: Es sind Systeme, die nicht im Gleichgewicht sind. Wird Energie hineingesteckt, kommt es zu Instabilitäten. Dann schwankt beispielsweise der Aktienkurs.

Und darüber forschen Sie jetzt am Center for Nonlinear Science an der Uni Münster, das diese Woche eröffnet wurde?

Ja, das Center besteht aus dreißig Arbeitsgruppen aus sechs Fachbereichen.

Nicht-lineare Wissenschaft – das klingt nach Chaostheorie.

Nein, Chaostheorie ist nur ein ganz kleiner Teil von nicht-linearer Wissenschaft. Chaos ist ein Synonym für eine vollständig irreguläre Struktur oder Zeitentwicklung. Ein Tornado ist jedoch noch strukturiert, er ist ein Wirbel, kein Chaos. Ein Aktienkurs kann chaotisch sein, muss aber nicht. Was die Chaostheorie macht, wird heute sehr viel breiter angegangen. Nicht-lineare Wissenschaft ist eine Erweiterung der Chaostheorie.

Die Chaostheorie hat gezeigt, dass bestimmte Phänomene wie Luftwirbel nicht berechenbar sind.

Das Charakteristikum aller nicht-linearen Systeme ist, dass man sie nur schwer vorhersagen kann. Aber kontrollieren kann man sie schon – mit den Methoden der nicht-linearen Wissenschaft. Daran arbeiten wir. Wir wollen diese Kontrolle so weiter entwickeln, dass Anwendungen daraus entstehen.

Zum Beispiel?

Im Jahr 2000 ist die Milleniumbridge in London in Schwingungen versetzt worden, wenn viele Menschen über die Brücke gelaufen sind. Der Grund: Die Fußgänger haben ihre Schritte derart aufeinander abgestimmt und auf die Schwingung der Brücke, dass daraus eine Mega-Schwingung entstanden ist. Das ist ein sehr nicht-lineares Phänomen. Sobald man es versteht, kann man die Brücke stabilisieren.

Man könnte den Effekt auch nutzen, um die Brücke einstürzen zu lassen – wenn man das wollte.

Natürlich. Mit Schwingungen lassen sich zum Beispiel Nierensteine zerstören. Das sind nicht-lineare Prozesse.

Was wäre ein linearer?

Zum Beispiel ein Ball, der sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, die sich nicht verändert. Das Problem ist nur: Lineare Prozesse kommen in der realen Welt kaum vor. Die Wissenschaft hat sich insofern bisher oft nur einen kleinen Teil der Wirklichkeit herausgesucht.

Also werden nicht-lineare Prozesse kaum erforscht?

In Nordrhein-Westfalen sind wir die einzige Institution dieser Art. In Dresden und Göttingen gibt es jeweils ein Max-Planck-Institut, das sich mit Teilbereichen von Nonlinear Science beschäftigt. In den USA gibt es auch nur ein paar Zentren, die das machen.

Woher kommt das Desinteresse?

Das ist kein Desinteresse, man hat nicht-lineare Prozesse schon wahrgenommen. Weil man sie aber nicht beherrschen konnte, hat man meist versucht, ihr Auftreten zu vermeiden. In der Halbleitertechnik zum Beispiel entstehen in Bauelementen ab einer gewissen Größe Spannungsdurchbrüche, also Blitze, die das Material zerstören. Also wurden sie einfach nicht gebaut.

Das wollen Sie ändern?

Ja, und wir wollen das Verständnis nutzen für neue Anwendungen, bessere Kontrollen und Vorhersagen.

Betreiben Sie eher Grundlagenforschungen oder sind die ersten Anwendungen schon absehbar?

Wir machen beides. Wir nutzen zum Beispiel die Strukturierung eines Laserstrahls, um ganz neue photonische Kristalle mit Licht zu erzeugen. Das geht Hand in Hand. Manchmal kann man auch etwas anwenden und kontrollieren, bevor man es voll mathematisch erklärt hat. Bei uns arbeiten Mathematiker, Theoretiker und angewandte Naturwissenschaftler zusammen, um parallel Verständnis und Anwendungen voranzutreiben.

Sie beschäftigen sich auch mit Epidemien. In NRW brechen immer wieder die Masern aus. Ersetzen Anwendungen aus der nicht-linearen Wissenschaft bald das Impfen?

Nein, uns geht es darum, die Verbreitungswege von Viren zu erforschen. Früher hat ein Mensch die Masern an seinen direkten Nachbarn weitergeben. Die heutige Mobilität – Berufsverkehr, Bahn, Flugzeug – ermöglicht ganz andere Verbreitungsmöglichkeiten. Eine Epidemie kann sich heute sehr schnell nicht nur in Deutschland, sondern weltweit ausbreiten. Will man eine Epidemie klein halten, muss man die möglichen Verbreitungswege kennen. Und die sind nicht-linear. Wir müssen deshalb Modelle entwickeln, um vorherzusagen, was passiert.

Und dann?

Dann weiß man, wie viel Impfstoff an welchen Stellen vorgehalten werden sollte.

Warum ist das Center for Nonlinear Science gerade an der Uni Münster entstanden?

Münster hat eine sehr lange Tradition in diesem Bereich. Wir hatten hier schon vor Jahren eine Graduiertenschule zu dem Thema, die Mathematik, Physik und Chemie umfasste. Außerdem interessieren sich viele andere Fächer für nicht-lineare Wissenschaft: die Wirtschaftswissenschaften wegen der Börsen- und Wechselkurse, die Sportwissenschaften wegen der Koordinierung von Bewegungen. Auch in Nano- und Biowissenschaften ist das hochaktuell, etwa wenn man Zellen anordnen will. Die Uni hat darauf reagiert mit Neuberufungen. Irgendwann gab es die nötige kritische Masse von Wissenschaftlern, die dieses Thema in ihren Fächern bearbeiten.

Also war das eine nicht-lineare Entwicklung?

Könnte man sagen. Die Kollegen befruchten und verstärken sich auch gegenseitig, es gibt bereits zahlreiche Kooperationen und gemeinsame Projekte über die verschiedenen Fachgrenzen hinaus. Auch das ist typisch für nicht-lineare Prozesse.