Die Menschheit steht vor einer Vielzahl großer globaler und existenzieller Herausforderungen auf ökologischer, sozialer, und ökonomischer Ebene: der Verlust der biologischen Vielfalt, der Kollaps von Ökosystemen, die Klimakrise, Aushöhlung demokratischer Strukturen und des sozialen Zusammenhalts, der Ersatz menschlichen Denkens und Handelns durch künstliche Intelligenz in vielen Lebensbereichen sowie Zusammenbrüche ganzer Finanz- und Wirtschaftssysteme. Die Erforschung solch komplexer Systeme und die daraus resultierenden Gesetzmäßigkeiten helfen zunehmend beim Verstehen und damit bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Die Erforschung solch komplexer Systeme und die daraus resultierenden Gesetzmäßigkeiten helfen zunehmend beim Verstehen und damit bei der Bewältigung dieser Herausforderungen.
Komplexe Systeme überraschen und faszinieren gleichermaßen mit oft unerwartetem kollektivem Verhalten. So erklären beispielsweise weder die Flugfähigkeiten einzelner Stare die faszinierende kollektive, selbstorganisierte Dynamik von riesigen Schwärmen, noch erklärt das Verhalten Einzelner im Verkehr die durch sie in der Gesamtheit erzeugten Verkehrsströme.
Auch das Phänomen der Synchronisation ist im Alltag weit verbreitet: Glühwürmchen, die im Gleichklang blinken, eine La-Ola-Welle im Stadion (vom Spanischen „la ola“, die „Welle“) oder Joggende im Gleichschritt. Durch Theorie und präzise Experimente – etwa zu supraleitenden Josephson-Kontakten – sind die mathematisch formulierbaren Gesetzmäßigkeiten der Synchronisation sehr gut verstanden und auch vielseitig anwendbar. Dieses grundlegende Verständnis, das u. a. die Basis für den Betrieb unserer Stromnetzwerke bildet, ist ein zentrales Merkmal für die Physik komplexer Systeme. Dabei ergänzen sich Forschungsarbeiten an physikalischen Systemen aus unserer näheren und weiteren Umgebung. Diese Interdisziplinarität und universelle Anwendbarkeit sind Teil der Faszination dieser Forschung.
Die Dynamiken komplexer Systeme ergeben sich also gemeinsam aus den intrinsischen dynamischen Verhaltensweisen vieler Teilsysteme, aus deren meist nichtlinearen Wechselwirkungen untereinander sowie aus treibenden äußeren Kräften. Die entstehenden Prozesse der Selbstorganisation auf Systemebene unterstreichen die Notwendigkeit ganzheitlicher, umfassender Herangehensweisen und Lösungen für ihre Beschreibung und Kontrolle.
Die Publikationen zum Thema komplexe Systeme haben sich allein im Zeitraum 1990–2000 um den Faktor 15 erhöht und im Zeitraum 2000–2020 nochmals um den Faktor vier. Stephen Hawking, Physikprofessor an der Universität Cambridge, der insbesondere auch durch seine populärwissenschaftlichen Bücher einer breiten Öffentlichkeit bekannt wurde, folgerte zum Jahrhundertwechsel aus dieser Entwicklung:
„Ich denke, das nächste Jahrhundert ist das Jahrhundert der Komplexität.“
Stephen Hawking
Auch der Nobelpreis für Physik im Jahr 2021 wurde „für bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis komplexer Systeme” vergeben, die maßgeblich für Grundlagen von Untersuchungen zum Erdklima und weiteren komplexen Systemen waren.
Wie die folgenden Beiträge beispielhaft zeigen, helfen Ansätze aus der Physik entlang verschiedener Sichtachsen. Erstens haben wir aus vielen Bereichen der Physik, wie etwa der Thermodynamik und der Mechanik, umfassend gelernt, hochdimensionale Systeme mit wenigen beobachtbaren Größen und Parametern effektiv zu charakterisieren und zu modellieren. Zweitens sind viele Phänomene, die sich durch Selbstorganisationsprozesse in komplexen Systemen ergeben können, zumindest grundsätzlich mit den Methoden der Physik beschreibbar. Zum Beispiel lassen sich qualitative Verhaltensänderungen von Systemen mit den etablierten Theorien der Phasenübergänge aus der statistischen Physik und der Bifurkationstheorie aus der nichtlinearen Dynamik verstehen. Phänomene wie Hysterese, raumzeitliche Korrelationen und Erinnerungseffekte sind etwa in der Festkörperphysik oder der Optik gut bekannt. Drittens spielen auch physikalische Teilsysteme und deren Eigenschaften zur Bewältigung aktueller Herausforderungen eine bedeutende Rolle.
So kontrollieren beispielsweise quantenmechanische und andere physikalische Eigenschaften die Funktion von Batterien, etwa für Elektrofahrzeuge, sowie die Effizienz von Photovoltaikanlagen. Das sind nur zwei Beispiele, die jeweils für den nachhaltigen Umbau unserer Transportsysteme und unserer Energieversorgung essenziell sind.