Schmetterlingseffekt

Als Schmetterlingseffekt (englisch butterfly effect) bezeichnet man den Effekt, dass in komplexen, nichtlinearen dynamischen Systemen eine große Empfindlichkeit auf kleine Abweichungen in den Anfangsbedingungen besteht. Geringfügig veränderte Anfangsbedingungen können im langfristigen Verlauf zu einer völlig anderen Entwicklung führen. Es gibt hierzu eine bildhafte Veranschaulichung dieses Effekts am Beispiel des Wetters, welche namensgebend für den Schmetterlingseffekt ist:

“Predictability: Does the flap of a butterfly's wings in Brazil set off a tornado in Texas?”

„Vorhersagbarkeit: Kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen?“^[1]

Die Metapher ist insofern problematisch, als manche Menschen den Schmetterlingseffekt als Synonym für den Schneeballeffekt ansehen, bei dem kleine Effekte sich über eine Kettenreaktion selbst verstärken. Das ist jedoch hier nicht gemeint, sondern dass kleine Abweichungen langfristig ein ganzes System vollständig und unvorhersagbar verändern können.

Ursprung der Bezeichnung

Der einprägsame Begriff Schmetterlingseffekt stammt von dem amerikanischen Meteorologen Edward N. Lorenz, der 1972 vor der American Association for the Advancement of Science einen Vortrag mit dem Titel Predictability: Does the Flap of a Butterfly’s Wings in Brazil set off a Tornado in Texas? hielt.^[2] In seiner ursprünglichen Form verwendete er allerdings den Flügelschlag einer Möwe statt des Schmetterlings. Es ist gut möglich, dass Lorenz durch die 1952 erschienene Kurzgeschichte Ferner Donner von Ray Bradbury inspiriert wurde. In dieser Geschichte tritt ein Zeitreisender versehentlich auf einen Schmetterling und sorgt dadurch für Veränderungen in der Gegenwart.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Vorarbeiten zu der Theorie leistete Lorenz mit einer Arbeit aus dem Jahre 1963^[3], in der er eine Berechnung zur Wettervorhersage mit dem Computer unternahm. Er untersuchte im Zusammenhang mit langfristigen Wetterprognosen an einem vereinfachten Konvektionsmodell das Verhalten von Flüssigkeiten bzw. Gasen bei deren Erhitzung; hier bilden sich zunächst Rollen (heißes Gas steigt auf einer Seite auf, verliert Wärme und sinkt auf der anderen Seite wieder ab), die bei weiterer Wärmezufuhr instabil werden. Dieses Verhalten charakterisierte er anhand der drei verbundenen Differentialgleichungen. Das numerische Ergebnis projizierte er in den Phasenraum und erhielt jenen seltsamen Attraktor, der später als Lorenz-Attraktor bekannt wurde: eine unendlich lange Trajektorie im dreidimensionalen Raum, die sich nicht selbst schneidet und die Form zweier Schmetterlingsflügel hat. Lorenz stieß auf das chaotische Verhalten seines Modells eher zufällig. Um Rechenzeit zu sparen, hatte er bei der numerischen Lösung der o. a. Gleichungen auf Zwischenergebnisse bereits durchgeführter Berechnungen zurückgegriffen, hierbei jedoch nur drei Dezimalstellen berücksichtigt, obwohl der Computer mit einer Genauigkeit von sechs Dezimalstellen rechnete. Das Resultat waren zunehmende Abweichungen im Zeitverlauf zwischen den alten und neuen Berechnungen, was Lorenz zu seinen Aussagen über die Sensitivität gegenüber den Anfangsbedingungen bewog. Von nahezu demselben Ausgangspunkt divergierten die Wetterkurven, bis sie schließlich keine Gemeinsamkeit zeigten.

Bei seiner ersten Berechnung gab er einen Startwert für eine Iteration auf sechs Dezimalstellen genau an (0,506127), bei der zweiten Berechnung auf drei (0,506), und obwohl diese Werte nur um etwa 1/4000 voneinander abwichen, also eine Differenz, die mit dem vom Flügelschlag eines Schmetterlings erzeugten Windhauch vergleichbar ist, wich im weiteren Verlauf diese Berechnung mit der Zeit von der ersten stark ab.

Der Schmetterlingseffekt tritt definitionsgemäß bei Systemen auf, die deterministisches chaotisches Verhalten zeigen. Diese Systeme besitzen die Eigenschaft, dass sich beliebig kleine Unterschiede in den Anfangsbedingungen (Clinamen) im Laufe der Zeit stark verstärken, sie also sensitiv abhängig von den Anfangswerten sind. Entgegen verbreiteter Laienmeinungen sind Systeme, deren Dynamik den Schmetterlingseffekt zeigen kann, nicht notwendigerweise komplex.

Beispiele

Meteorologie

Da die Anfangsbedingungen experimentell immer nur mit endlicher Genauigkeit bestimmt werden können, ist eine Konsequenz dieses Effekts für solche Systeme, dass es unmöglich ist, ihr Verhalten für längere Zeit vorherzusagen. Zum Beispiel kann das Wetter für einen Tag relativ genau prognostiziert werden, während eine Vorhersage für einen Monat kaum möglich ist. Selbst wenn die ganze Erdoberfläche mit Sensoren bedeckt wäre, diese nur geringfügig voneinander entfernt lägen, bis in die höchsten Lagen der Erdatmosphäre reichten und exakte Daten lieferten, wäre auch ein unbegrenzt leistungsfähiger Computer nicht in der Lage, langfristig exakte Prognosen der Wetterentwicklung zu machen. Da das Computermodell die Räume zwischen den Sensoren nicht erfasst, kommt es zu geringfügigen Divergenzen zwischen Modell und Realität, die sich dann positiv verstärken und zu großen Unterschieden führen. Beispielsweise lassen sich aus den Daten von 1000 Wetterstationen einigermaßen zuverlässige Prognosen über einen Zeitraum von vier Tagen machen. Für entsprechende Vorhersagen über elf Tage bräuchte man bereits 100 Millionen gleichmäßig über die Erde verteilte Messstationen. Absurd wird das Vorhaben, wenn sich die Vorhersage über einen Monat erstrecken soll; denn dann wären 10²⁰ Wetterstationen erforderlich, das heißt je eine auf je fünf Quadratmillimeter Erdoberfläche (Lit.: Heiden). Allerdings ist das Lorenz-Modell eigentlich viel chaotischer als der tatsächliche Wetterverlauf. Die Gleichungen sind viel instabiler als die grundlegenden physikalischen Gleichungen. Der Mathematiker Wladimir Igorewitsch Arnold gibt als eine prinzipielle obere Schranke für die Wettervorhersage zwei Wochen an.

Zeltabbildung

Als Beispiel für den Schmetterlingseffekt soll die Zeltabbildung dienen.

Es wird die Differenz zweier solcher Abbildungen über der Anzahl der Iterationen aufgetragen. Beide Abbildungen haben den gleichen Kontrollparameter, jedoch leicht unterschiedliche Startwerte. Damit der Effekt auftritt, muss der Kontrollparameter so eingestellt sein, dass die Zeltabbildung chaotisches Verhalten zeigt (erkennbar im entsprechenden Bifurkationsdiagramm).

Als Startwerte wurden 0,506 und 0,506127 gewählt. Die maximal mögliche Abweichung ist ± 1. Die beiden Abbildungen sind demnach schon nach wenigen Iterationen völlig verschieden.

Planetenbahnen

Wenn mehr als zwei Himmelskörper gravitativ aneinander gebunden sind, können minimale Änderungen der Ausgangssituation im Laufe der Zeit zu großen nichtvorhersagbaren Änderungen der Bahnen und Positionen führen. Dieses Verhalten ist Thema des Dreikörperproblems.

Künstlerische Verarbeitungen

Belletristik

• Douglas Adams verwendet in seiner 5-teiligen Reihe Per Anhalter durch die Galaxis sehr häufig das Motiv des Schmetterlingseffekts als Beschreibung für sehr unwahrscheinliche Ereignisse in einem großen System wie dem Universum.
• Ray Bradburys Kurzgeschichte Ferner Donner aus dem Jahr 1952 befasst sich gut zehn Jahre vor der Entstehung des Begriffs mit der Auswirkung kleiner Veränderungen auf die Zukunft.
• Michael Crichton verarbeitet in seinem Roman Jurassic Park dieses Prinzip.
• Thomas Brussig verwendet den Schmetterlingseffekt in seinem Roman Wie es leuchtet (2004).
• Terry Pratchett verwendet in Echt Zauberhaft den Schmetterling als Auslöser für diverse Unwetter, die allerdings schwere Folgen für das Schicksal Einzelner haben.
• Nick McDonell erwähnt den Schmetterlingseffekt in seinem Roman Zwölf.
• Stephen Fry bezieht sich mit seinem Buch Geschichte machen auf den Schmetterlingseffekt.

Film

• Der Zufall möglicherweise aus dem Jahre 1981
• Lola rennt aus dem Jahr 1998
• Sie liebt ihn – sie liebt ihn nicht aus dem Jahr 1998
• Donnie Darko aus dem Jahr 2001
• Minority Report mit Tom Cruise von Steven Spielberg aus dem Jahr 2002
• Böse Zellen aus dem Jahr 2003
• Butterfly Effect, Butterfly Effect 2 und Butterfly Effect 3 – Die Offenbarung aus den Jahren 2004, 2006 und 2009
• A Sound of Thunder aus dem Jahr 2005
• Chaos aus dem Jahr 2005
• Babel aus dem Jahr 2006
• Mr. Nobody aus dem Jahr 2009

Fernsehserien

• Scrubs, Folge Mein Schmetterling (Staffel 3, Folge 16)
• Heroes, Folge Der Schmetterlingseffekt (Staffel 3, Folge 2)
• How I Met Your Mother, Folge Right Place Right Time (Staffel 4, Folge 22)
• Dexter, Folge Schmetterlingseffekt (Staffel 3, Folge 8)
• Die Simpsons (Treehouse of Horror V, Folge Zeit und Strafe)
• Family Guy, Folge "Gestatten, Lois Quagmire" (Staffel 5, Folge 18)

Computer-/Konsolenspiele

• Splinter Cell Chaos Theory : In der Badehausmission wird ein zerstörerischer Algorithmus unter dem Namen Chaos Theorie ausgetauscht.
• Assassin's Creed: Im Schlafzimmer neben dem Labor kann man an der Wand über dem Bett eine Schmetterlingszeichnung sehen, wenn man das Adlerauge aktiviert.

Musik

• 1999 veröffentlichte Moonspell das Album: „The Butterfly Effect“. Hier kann man im zweiten Lied: „Butterfly Fx“ eine Heavy-Metal Interpretation des Schmetterlingseffekts hören.
• Auf dem 2003 erschienenen Album „Absolution“ der britischen Band Muse befindet sich ein Lied mit dem Namen „Butterflies and Hurricanes“, der das Phänomen des Schmetterlingseffekts textlich (metaphorisch) und musikalisch aufgreift. So entwickelt sich das Stück vom leisen Beginn zu einem orchestralen Ende.
• Der Song „Kein Weg Zurück“ von Curse behandelt ebenfalls die Thematik des Schmetterlingseffekt.
• Bass Sultan Hengzt Album „Der Schmetterlingseffekt“
• Die 2001 gegründete australische Hard-Rock -Band The Butterfly Effect benannte sich nach dem Schmetterlingseffekt, ihr erstes Studioalbum nannten sie The Butterfly Effect EP.
• Die spanische Band Efecto Mariposa (mariposa = span. „Schmetterling“) benannte sich nach dem Schmetterlingseffekt, denselben Titel trägt auch das Debütalbum von 2001.
• Die deutsche Band Die Ärzte zeigen in dem Video zu ihrer Single „Deine Schuld“ anfangs einen Flügelschlag eines Schmetterlings. Während des Videos entsteht ein gewaltiger Sturm, der am Ende alles mit sich reißt (Chaos-Theorie).
• Der französische Musiker Bénabar nannte ein Musikstück L´effet papillon (deutsch: „Schmetterlingseffekt“)
• Das 2011 von ((Jason Derulo)) veröffentlichte Lied "What if" (deutsch: was, wenn) handelt ebenfalls von diesem psychologischen Phänomen.

Anhang

Belege

1. ↑ So der Titel seines Vortrags im Jahr 1972 während der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science; laut Science 320, 2008, S. 431
2. ↑ Erstveröffentlichung in Edward Lorenz: The Essence of Chaos. Seattle 1993, Appendix 1, S. 181–184.
3. ↑ Edward N. Lorenz: Deterministic Nonperiodic Flow. In: Journal of the Atmospheric Sciences. 20, Nr. 2, März 1963, S. 130–141. doi:10.1175/1520-0469(1963)020<0130:DNF>2.0.CO;2. Abgerufen am 3. Juni 2010.

Literatur

• Edward N. Lorenz: The Essence of Chaos. Seattle 1993
• Uwe an der Heiden: Chaos und Ordnung, Zufall und Notwendigkeit. In: Küppers, Günter (Hrsg.): Chaos und Ordnung … a.a.O., S. 111).

Siehe auch

• Sensitive Abhängigkeit