Klaus Mainzer (Hrsg.)
Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik
in Natur und Gesellschaft
Komplexitätsforschung in Deutschland auf dem Weg ins nächste
Jahrhundert
Springer
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1999 XIII, 494 S., 163 Abb., 9 Tab
3-540-65329-5.
DM 229,-
Vorwort
Komplexe dynamische Systeme werden derzeit fachübergreifend in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen untersucht - von Physik, Chemie, Biologie und Medizin über Kognitionswissenschaften und Psychologie bis zu Soziologie und Ökonomie. Nach anfänglicher Euphorie über die schillernden Verheißungen einer Einheitswissenschaft sehen wir heute wesentlich nüchterner die konkreten Leistungen, aber auch die Grenzen in den einzelnen Fachdisziplinen. Das gemeinsame methodische Thema bleibt die fachübergreifende Modellierung komplexer Systeme, deren Dynamik durch Nichtlinearität bestimmt ist. Mathematische Methoden und Computersimulationen machen aber nur Sinn, wenn sie mit konkreten einzelwissenschaftlichen Analysen verbunden sind. Dieser Band zieht daher Bilanz und zeigt künftige Forschungsperspektiven auf. Nach einer allgemeinen Einführung in die Themen Komplexität, Nichtlinearität und Synergetik folgen Abschnitte über physikalische, chemische, biologische, kognitive, medizinische, psychologische, soziale, ökonomische und innovative Systeme. Viele Beiträge gehen zurück auf die Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik 1997 auf Schloß Reisensburg a.d. Donau. Einige Kollegen wie J. Kurths (Max-Planck-Arbeitsgruppe für Nichtlineare Dynamik/Potsdam) und H. Kantz (Max-Planck-Institut für Komplexe Systeme/Dresden) haben neue Arbeiten beigesteuert. Damit berichtet dieser Band zwar nicht vollständig über Komplexitätsforschung in Deutschland, zeigt aber doch typische Forschungsrichtungen zur Jahrhundertwende auf.
Die Ideen zu diesem Buch entstanden auf Schloß Reisensburg. Ein herzlicher Dank gilt daher der Fritz-Thyssen-Stiftung, die unsere Tagung großzügig finanziell unterstützt hat. Der Kurator der Fritz-Thyssen-Stiftung, der ehemalige Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft Prof. Dr. Dr. h.c. mult. W. Frühwald, hat nicht nur über Interdisziplinarität gesprochen, sondern tatkräftig geholfen, sie zu verwirklichen.
Das Buch ist zugänglich unter der Internet-Adresse: http://www.philso.uni-augsburg.de/dgksnd/
| Augsburg und München, |
Klaus Mainzer
|
| im Januar 1999 |
Ergänzung:
Die Texte der einzelnen Kapitel, die sie weiter unten anwählen können, stehen als Adobe-Acrobat-Files (pdf) zum Herunterladen zur Verfügung. Sie benötigen dazu den Adobe-Acrobat-Reader von Adobe.
Das vorliegende Buch kann beim Springer Verlag bestellt werden: http://www.springer.de/
Inhaltsverzeichnis
Teil I. Einführung
| Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik in Natur und Gesellschaft |
3
|
| Klaus Mainzer | |
| 1 Vom linearen zum nichtlinearen Denken |
3
|
| 2 Komplexe Systeme in der Physik |
6
|
| 3 Komplexe Systeme in der Chemie |
9
|
| 4 Komplexe Systeme in der Biologie |
11
|
| 5 Komplexe Evolution in der Informatik |
13
|
| 6 Komplexe Systeme in Gehirnforschung und Neuroinformatik |
18
|
| 7 Komplexe Systeme in Medizin und Psychologie |
21
|
| 8 Komplexe Systeme in Soziologie und Ökonomie |
23
|
| 9 Perspektiven für Wissenschaft, Technik und Kultur |
25
|
| Literatur |
28
|
| Synergetik: Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft |
30
|
| Hermann Haken | |
| 1 Einleitung |
30
|
| 2 Vor 25 Jahren: Die Suche nach vereinheitlichenden Gesetzen in Natur und Gesellschaft. |
30
|
| 3 Synergetik heute: Komplexe Systeme |
33
|
| 4 Verschiedene Wurzeln |
38
|
| 5 Chaos und Ordnung |
40
|
| 6 Die Zukunft |
41
|
| 7 Anhang I |
43
|
| 8 Anhang II |
43
|
| Literatur |
45
|
| Chaos(-Theorie) in der Physik: Wo stehen wir? |
49
|
| Siegfried Grossmann |
| Nichtlineare Dynamik in der Physik: Forschungsbeispiele und Forschungstrends |
52
|
| Jürgen Kurths, Norbert Seehafer und Frank Spahn | |
| 1 Einleitung |
52
|
| 2 Kontinuierliche dynamische Systemeund astrophysikalischer Magnetismus |
53
|
| 3 Planetare Ringe: Granulare Gase im All |
63
|
| 4 Nichtlineare Analyse von Erdbebendaten |
68
|
| Literatur |
71
|
| Nichtlineare Zeitreihenanalyse in der Physik: Möglichkeiten und Grenzen |
74
|
| Holger Kantz | |
| 1 Einleitung |
74
|
| 2 Nichtlineare Zeitreihenanalyse und ihre Grenzen |
76
|
| 3 Anwendungen nichtlinearer Zeitreihenanalyse |
80
|
| 4 Ausblick |
86
|
| Literatur |
88
|
| Was ist Komplexität? |
89
|
| Eiichi Ryoku Nakamura und Takashi Mori | |
| 1 Standardszenario des Selbstordnens komplexer Systeme |
89
|
| 2 Zwei Arten komplexer Systeme |
91
|
| 3 Ein Beispiel komplexer Systeme der zweiten Art: Regel-verändernde zelluläre Automaten |
93
|
| Literatur |
99
|
Teil III. Chemische und Biologische Systeme
| Vom Einfachen zum Komplexen: Bildung von chemischen Strukturen |
103
|
| Achim Müller und Paul Kögerler | |
| 1 Einleitung |
103
|
| 2 Verknüpfung von Baueinheiten unter Selbstaggregationsbedingungen |
103
|
| 3 Der Weg vom Mikro- in den Mesokosmos |
105
|
| 4 Templatgesteuerte Verknüpfungen führen zu Komplementarität zwischen Templat und Reaktionsprodukt |
107
|
| 5 Auf dem Weg zu immer größeren Gebilden,auch solchen mit emergenten Eigenschaften |
109
|
| 6 Molekulares Wachstum zu Komplexität als Folge von Symmetriebruch und Rückkopplung |
110
|
| 7 Das molekulare "Riesenrad": Multifunktionalität und Emergenz |
112
|
| 8 Ausblick |
115
|
| Literatur |
115
|
| Beherrschung von Komplexität in der molekularen Evolution |
117
|
| Peter Schuster | |
| 1 Evolution und Landschaften |
117
|
| 2 Gradientendynamik |
122
|
| 3 Evolution von RNA-Molekülen |
123
|
| 4 RNA-Phänotypen und Gestaltraumüberdeckung |
125
|
| 5 Neutrale Netzwerke |
130
|
| 6 Optimierung auf kombinatorischen Landschaften |
134
|
| 7 Abschließende Bemerkungen |
137
|
| 8 Epilog und Ausblick |
139
|
| Literatur |
141
|
| Nichtlineare Selbstverstärkung: Die treibende Kraft in der biologischen Musterbildung |
146
|
| Hans Meinhardt | |
| 1 Die Embryonalentwicklung – komplex und doch reproduzierbar |
146
|
| 2 Primäre Musterbildung durch lokale Selbstverstärkung und langreichweitige Inhibition |
148
|
| 3 Morphogenetische Gradienten |
150
|
| 4 Regeneration |
151
|
| 5 Gen-Aktivierung: molekular-genetische Analog-Digital-Konvertierung |
151
|
| 6 Segmentierung und Muster innerhalb von Segmenten |
154
|
| 7 Kontrollierte Nachbarschaft: Zellzustände, die sich lokal ausschließen und sich langreichweitig aktivieren |
156
|
| 8 Anlage der Gliedmaßen: Bildung neuer Strukturen an den Grenzen verschiedener Gen-Aktivitäten |
157
|
| 9 Die Bildung netzartiger Strukturen |
159
|
| 10 Die Bildung von Pigmentmustern auf Schnecken- und Muschelschalen |
161
|
| 11 Schlußbetrachtung |
164
|
| Literatur |
164
|
Teil IV. Kognitive Systeme
| Objekterkennung in einem selbstorganisierenden neuronalen System |
169
|
| Laurenz Wiskott und Christoph von der Malsburg | |
| 1 Einleitung |
169
|
| 2 Das System |
172
|
| 3 Experimente |
180
|
| 4 Diskussion |
183
|
| 5 Danksagungen |
186
|
| Literatur |
186
|
| Physikalische Komplexität und kognitive Strukturerkennung |
189
|
| Michael A. Stadler und John-D. Haynes | |
| 1 Einleitung |
189
|
| 2 Strukturbildung und Gestaltgesetze |
192
|
| 3 Strukturerzeugung durch Nichtlinearisierung |
194
|
| 4 Struktursensibilität |
196
|
| 5 Strukturverstärkung durch Prägnanztendenzen |
200
|
| 6 Lernabhängigkeit der Strukturbildung |
203
|
| Literatur |
205
|
| Synergetische Lehr-Lern-Prozesse des Bewegungssystems |
207
|
| Karl-Heinz Leist | |
| Literatur |
219
|
Teil V. Medizinische Systeme
| Biomedizinische Zeitreihen: Möglichkeiten und Grenzen |
223
|
| Zbigniew J. Kowalik und Theodor Leiber | |
| 1 Zur Genese biomedizinischer Zeitreihen |
223
|
| 2 Der Mensch als biomedizinische Signalquelle |
226
|
| 3 Die Methoden der Signalanalyse |
226
|
| 4 Physiologische Fragestellungen |
228
|
| 5 Beispiele und Analysen biomedizinischer Zeitreihen |
231
|
| 6 Methodische Probleme der Analyse biomedizinischer Zeitreihen |
239
|
| 7 Zusammenfassung und Ausblick |
243
|
| Literatur |
244
|
| Dynamische Krankheiten: Neue Perspektiven der Medizin |
247
|
| Uwe an der Heiden | |
| 1 Einführung: Geschichtliches |
247
|
| 2 Der Organismus als ein selbsterzeugendes und selbsterhaltendes dynamisches System |
248
|
| 3 Die zirkuläre Organisation der Blutbildung |
250
|
| 4 Ein Beispiel mit vielen Bifurkationen und Chaos: Ein mathematisches Modell für den neuronalen Ursprung von Epilepsien |
255
|
| 5 Dynamische Krankheit und dynamische Gesundheit - Konzept und Strategie |
261
|
| Literatur |
262
|
| Nichtlineare Dynamik und das "Unerwartete" in der Psychiatrie |
267
|
| Hinderk Meinerf Emrich, Franz Markus Leweke und Udo Schneider | |
| 1 Einleitung |
267
|
| 2 Hippocampale Comparatoren und die Neuropsychologie der Angst |
269
|
| 3 Das "Unerwartete" in der Psychose |
270
|
| Literatur |
278
|
| Selbstorganisation in psychischen und sozialen Prozessen: Neue Perspektiven der Psychotherapie |
280
|
| Günter Schiepek | |
| 1 Das "Problem der Ordnung": Synergetik in der Psychologie |
280
|
| 2 Entscheidung als Musterbildungsprozeß |
284
|
| 3 Psychotherapie: Selbstorganisierter Ordnungswandel |
288
|
| 4 Der Nachweis von Selbstorganisation in der Psychologie |
295
|
| 5 Exemplarische empirische Befunde zu Ordnungs-Ordnungs-Übergängen |
298
|
| Literatur |
313
|
| Modelle komplexer sozialer Systeme: Was leisten Computersimulationen? |
321
|
| Klaus G. Troitzsch | |
| 1 Die Anwendung mathematischer Modelle und von Computersimulation in den Sozialwissenschaften |
321
|
| 2 Stochastische Prozesse als Modelle sozialer Prozesse |
322
|
| 3 Wählereinstellungen als nichtlinearer stochastischer Prozess |
322
|
| 4 Überwindung der Geschlechtertrennung in Lehrerkollegien an Schulen als nichtlinearer stochastischer Prozess |
326
|
| 5 Mehrebenenmodellierung |
327
|
| 6 Entstehung von Kooperation |
328
|
| 7 Das Modell von Kirk und Coleman: Paarbildung in Dreier-Gruppen |
331
|
| 8 Zelluläre Automaten |
334
|
| 9 Ausblick |
336
|
| Literatur |
337
|
| Das Modellierungskonzept der Soziodynamik:Was leistet die Synergetik? |
339
|
| Wolfgang Weidlich | |
| 1 Das Ziel der Soziodynamik |
339
|
| 2 Die Schritte der Modellierung |
339
|
| 3 Ein Beispiel: Die Migration zweier wechselwirkender Populationen in zwei Regionen |
342
|
| Literatur |
347
|
| Der Umgang mit Unsicherheit:Zur Selbstorganisation sozialer Systeme |
348
|
| Günter Küppers | |
| 1 Selbstorganisation: Die Kopplung von Umweltstruktur und Systemdynamik |
351
|
| 2 Die Selbstorganisation des Sozialen |
354
|
| 3 Innovationsnetzwerke |
358
|
| 4 Die Simulation von Innovationsnetzwerken |
362
|
| 5 Ergebnisse |
365
|
| 6 Zusammenfassung |
370
|
| Literatur |
371
|
| Nichtlineare Dynamik in der Ökonomie |
375
|
| Hans-Walter Lorenz | |
| 1 Einleitung |
375
|
| 2 Periodische Muster in ökonomischen Modellen |
377
|
| 3 Chaos in ökonomischen Modellen |
384
|
| 4 Theoretische Komplexität und die "Wirklichkeit" |
390
|
| 5 Zusammenfassung |
395
|
| Literatur |
397
|
| Fraktale Geometrie von Börsenzeitreihen: Neue Perspektiven ökonomischer Zeitreihenanalysen |
400
|
| Carl J.G. Evertsz, Ralf Hendrych, Peter Singer und Heinz-Otto Peitgen | |
| 1 Fraktale Geometrie |
400
|
| 2 Die fraktale Geometrie von Aktienkursen |
402
|
| 3 Anhang |
416
|
| Literatur |
416
|
Teil IX. Innovative Systeme
| Komplexe Systeme und lernende Unternehmen |
423
|
| Franz Josef Radermacher | |
| 1 Einordnung des Themas in die aktuelle Debatte |
424
|
| 2 Fragen zur Organisation von Wissen und Systemen |
428
|
| 3 Konkrete Anforderungen und Vorgehensweisen für ein Wissensmanagement von Unternehmen |
438
|
| 4 Zusammenfassung und Ausblick |
444
|
| Literatur |
445
|
| Evolutions- und Innovationsdynamik als Suchprozeß in komplexen adaptiven Landschaften. |
446
|
| Werner Ebeling, Andrea Scharnhorst, Miguel A. Jimenez Montano und Karmeshu | |
| 1 Einleitung |
446
|
| 2 Populationen als Einheiten der Evolution - verschiedene Modelltypen |
452
|
| 3 Innovationsdynamik von Technologien - diskrete und kontinuierliche Beschreibung |
460
|
| 4 Zusammenfassung und Ausblick |
466
|
| Literatur |
469
|
| Index |
475
|