Rückkopplungen in Physik, Chemie, Technik, Klima

Rolf Kickuth

Das Thema Rückkopplungen zieht sich quer durch verschiedenste Wissenschafts- und Anwendungsgebiete, von Physik und Chemie über Biologie, Informatik, Hirnforschung bis hin zur Psychologie und Soziologie. Bekannt gemacht haben sie technische Vorgänge, ausgelöst durch Entwicklungen der Rundfunktechnik und der Verstärkertechnik. Wohl jeder kennt den Effekt akustischer Rückkopplung, wenn ein Mikrofon Töne wieder aufnimmt, die es kurz zuvor einem Verstärker und über diesen an einen Lautsprecher geschickt hat: Grelles Pfeifen tritt auf, und hastig dreht man den Lautstärkeregler zurück. Dieser Artikel stellt Mechanismen und Phänomene von Rückkopplungen vor. Sie können Komplexität und Chaos erzeugen.

Zurück auf Start – aber anders

Schon das Innere einer alten Taschenuhr erscheint kompliziert. Dieses Modell des beginnenden 20. Jahrhunderts kann immerhin auf einer Extra-Skala die Sekunden anzeigen. Schon früher gab es Uhren, die noch weitere Komplikationen aufwiesen, wie man diese Zusatzfunktionen, die über die Stunden- und Minutenanzeige hinausgehen, nennt. Typisch dafür sind eine Datumsanzeige, eine Mondphasenanzeige oder auch ein akustisches Spielwerk. Hat eine Uhr mehrere Komplikationen, nennt man sie auch Grande Complication. Als komplizierteste Uhr der Welt gilt heute die Vacheron Constantin Referenz 57260; nach einer Bauzeit von 8 Jahren wurde sie 2015 vorgestellt. Es handelt sich um eine mechanische Taschenuhr mit 57 Komplikationen, 2826 Teilen und 31 Zeigern. Sie zeigen u.a. mehrere astronomische, ewige sowie hebräische Kalenderfunktionen an; 8 Westminster-Glockenspiel-Funktionen informieren akustisch über die Zeit. Dennoch sollte man auch bei solch einer Uhr nicht von Komplexität sprechen. Ein komplexes System zeichnet sich durch eine Vielzahl von Teilen, Elementen aus – wie sie auch in einer Uhr vorhanden sind, zusätzlich jedoch durch vielfältige Wechselwirkungen miteinander in Verbindung stehen. Hier kommen Rückkopplungen ins Spiel (Foto: Rolf Kickuth).

Programmausdruck zur Berechnung von Primzahlen in der Programmiersprache Fortran-4 von 1976. Der Algorithmus des Programms war das „Sieb des Eratosthenes“. Die Berechnungsobergrenze wurde mit einer GOTO-Anweisung abgefragt. Weil die Programmausführung einen Tag vor Heiligabend lief, durften wir sogar nach einem Ausdruck der Primzahlen bis 9000 einen weiteren (hier im Programm angewiesenen) Ausdruck der Primzahlen bis 90 000 machen, auf einem der damals leistungsfähigsten Transistor-Großrechnern an Universitäten in Deutschland, dem AEG-Telefunken-Rechner TR 440. U.a. um umfangreiche Ab-initio-Rechnungen durchführen zu können, wechselte für die Möglichkeiten mit diesem Rechner sogar 1975 ein Chemieprofessor von den USA nach Deutschland (Paul von Ragué-Schleyer (1930-2014)). Die Programmierung erfolgte übrigens über Lochkarten, die Ausgabe – wie abgebildet – auf Papier über einen Schnelldrucker (Abb.: Rolf Kickuth).