Dezentralisierung und Komplexität

Fraktale und Komplexität
Crea­ted by Wolf­gang Bey­er with the pro­gram Ultra Frac­tal 3. [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Konflikte

Eine zuneh­mend dezen­tra­le Ener­gie­welt und die damit ver­bun­de­nen Chan­cen in Ener­gie­zel­len unter­schied­li­cher räum­li­cher Aus­deh­nung bewe­gen gan­ze Wirt­schafts­zwei­ge. Dezen­tral nutz­ba­re, erneu­er­ba­re Ener­gie­quel­len bil­den die Grund­la­ge. Digi­ta­li­sie­rung wird zum Mit­tel der Beherr­schung der in einer dezen­tra­len Welt zuneh­men­den Kom­ple­xi­tät. Men­schen in ihren Lebens­räu­men und Unter­neh­men erken­nen in die­sem Umfeld die Chan­ce zum auto­no­men Han­deln sowie zur Wie­der­erlan­gung von loka­ler und regio­na­ler Gestal­tungs­ho­heit.

Trotz­dem ver­bleibt ein unge­lös­ter Inter­es­sen­wi­der­spruch. Wäh­rend in Deutsch­land Kom­mu­nal- und Lan­des­po­li­tik die Ver­än­de­rungs­pro­zes­se dank­bar auf­nimmt, ver­bleibt die Bun­des­po­li­tik und die euro­päi­sche Ener­gie­po­li­tik in zen­tra­len Gestal­tungs­an­sät­zen befan­gen. Die Erstel­lung eines Markt­de­signs in Ver­bin­dung mit zen­tra­len und dezen­tra­len Mecha­nis­men, die Incen­ti­vie­rung von Fle­xi­bi­li­tät bei Spei­cher­lö­sun­gen und Sek­to­ren­ver­bin­dun­gen zwi­schen Strom, Wär­me, Gas als auch Ener­gie­trä­gern für Mobi­li­tät sowie der Ener­gie­aus­tausch zwi­schen Nach­barn blei­ben For­de­run­gen und wer­den vor­ran­gig in Pilot­pro­jek­ten auf­ge­zeigt. Die Bun­des­po­li­tik ver­harrt in der beson­de­ren För­de­rung des Aus­baus zen­tra­ler erneu­er­ba­rer Erzeu­gungs­ka­pa­zi­tä­ten und neu­er Über­tra­gung­s­tras­sen.

Eine belast­ba­re Bera­tung der Bun­des­po­li­tik bezüg­lich der Vor­tei­le dezen­tra­len Han­delns in einer zuneh­mend ver­netz­ten und kom­ple­xen Welt bleibt in Ansät­zen ste­cken. Wel­che For­schungs­pro­jek­te wid­men sich der groß­flä­chi­gen Simu­la­ti­on, der Pilo­tie­rung und der Eva­lua­ti­on dezen­tra­ler Ener­gie­kon­zep­te in zel­lu­la­rer Orga­ni­sa­ti­on? Der­ar­ti­ge Vor­ha­ben wider­spre­chen oft dem aktu­el­len legis­la­ti­ven und regu­la­to­ri­schen Rah­men. Regu­la­to­ri­sche Inno­va­ti­ons­zo­nen, in denen ent­spre­chen­de Kon­zep­te groß­flä­chig aus­pro­biert wer­den kön­nen, lehnt die Bun­des­po­li­tik ab. Hier­bei offen­ba­ren sich Inter­es­sen­kon­flik­te zwi­schen zen­tral und eher dezen­tral orga­ni­sier­ten Akteu­ren, wobei Zen­tra­li­tät offen­bar leich­ter durch gebün­del­te Inter­es­sen­ver­tre­tun­gen arti­ku­liert wird.

 

Aufgabenstellung

Bei auf­merk­sa­mer Betrach­tung des Welt­ge­sche­hens las­sen sich bezüg­lich ande­rer Wirt­schafts­fel­der eben­falls ana­lo­ge Ver­än­de­rungs­pro­zes­se erken­nen. Orga­ni­sa­tio­nen rund um die Erde bau­en Hier­ar­chi­en ab und dezen­tra­li­sie­ren die Ent­schei­dungs­fin­dung in der Erwar­tung, Fle­xi­bi­li­tät und Wett­be­werbs­po­si­ti­on zu ver­bes­sern [Kauffman, S. (09/1998)]. Erst­ma­lig beschrie­ben wur­de die­ser Dezen­tra­li­sie­rungs­pro­zess im Jah­re 1982 von Richard R. Nel­son und Sid­ney Win­ter [Nel­son, Richard R.; Win­ter, Sid­ney (1982)]. Eine kohä­ren­te Theo­rie der Dezen­tra­li­sie­rung scheint jedoch zu feh­len.

Stuart Kauffman wen­de­te die­se Ide­en zur Dezen­tra­li­sie­rung auf sei­ne For­schungs­er­geb­nis­se an. Sein lang­jäh­ri­ges Wir­ken bezog sich ins­be­son­de­re auf das Ver­hält­nis von Cha­os und Ord­nung kom­ple­xer Sys­te­me mit der Betrach­tung von Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on als meta­sta­bi­les Gesche­hen am Ran­de des Cha­os. Die­se Ide­en führ­ten zur Ein­ord­nung sowohl des Lebens als auch makro­öko­no­mi­scher Sys­te­me als Evo­lu­ti­on in Koope­ra­ti­on – koevol­vie­ren­de Sys­te­me. Koevo­lu­ti­on beschreibt in Erwei­te­rung des Ansat­zes von Ver­än­de­rung (Muta­ti­on) und Aus­wahl (Selek­ti­on) bei Dar­win einen koope­rie­ren­den, wech­sel­sei­ti­gen Anpas­sungs­pro­zess. Auf die­ser Grund­la­ge beschreibt Kauffman fol­gen­des Ver­fah­ren:

Man neh­me eine schwie­ri­ge, kon­flikt­träch­ti­ge Auf­ga­be, bei der zahl­rei­che Ele­men­te mit­ein­an­der wech­sel­wir­ken, und zer­le­ge sie in einen „Tep­pich“ nicht­über­lap­pen­der Fel­der. Dann bemü­he man sich inner­halb eines jeden Fel­des um eine Opti­mie­rung. Die Ver­knüp­fung zwi­schen Ele­men­ten in zwei Fel­dern über die Feld­gren­zen hin­weg bedeu­tet nun, dass sich durch das Fin­den einer „guten“ Lösung in einem Feld das Pro­blem, das die Ele­men­te in angren­zen­den Fel­dern lösen müs­sen, ver­än­dert. Da Ände­run­gen in einem Feld dazu füh­ren, dass die Pro­ble­me in den benach­bar­ten Fel­dern sich eben­falls ver­än­dern, und da die adap­ti­ven Bewe­gun­gen die­ser Fel­der ihrer­seits die Pro­ble­me wie­der ande­rer Fel­der ver­än­dern, gleicht das Sys­tem unse­ren koevol­vie­ren­den Modellöko­sys­te­men.“

Jedes die­ser Fel­der kann nun in Öko­sys­te­men als eine Art von Lebe­we­sen betrach­tet wer­den, deren Ent­wick­lung durch Nach­bar­ar­ten mit­be­stimmt wird. Auch in der Wirt­schaft kann ein Feld als Unter­neh­men betrach­tet wer­den, des­sen Fort­schritt durch benach­bar­te Unter­neh­men bestimmt wird. Dies ent­spricht in ana­lo­ger Wei­se der Betrach­tung eines zel­lu­la­ren Ener­gie­sys­tems, des­sen Funk­ti­on durch benach­bar­te Ener­gie­sys­te­me – sowohl pri­va­te Gebäu­de und Area­le, als auch öffent­li­che Netz­ge­bie­te oder kom­mer­zi­el­le Markt­ge­bie­te – beein­flusst wird.

Durch Glo­ba­li­sie­rung und gleich­zei­tig statt­fin­den­de Auto­no­mie­be­stre­bun­gen sowie durch Digi­ta­li­sie­rung und neue Orga­ni­sa­ti­ons­for­men in der vir­tu­el­len Welt auf Basis der Ver­net­zung im Inter­net ent­steht zuneh­men­de Kom­ple­xi­tät. Jedes der ein­zel­nen Fel­der mit ihren Merk­ma­len kann durch belie­big vie­le ande­re Merk­ma­le ande­rer Fel­der affek­tiert wer­den. Sehr schnell errei­chen Sys­te­me mit einer bestimm­ten Anzahl von Fel­dern und ihren Merk­ma­len sowie der Anzahl der Beein­flus­sun­gen durch ande­re Fel­der die Gren­ze der Sta­bi­li­tät beim Ver­such, das Gesamt­sys­tem zen­tral zu steu­ern. Das bis­he­ri­ge Ener­gie­sys­tem war durch eine beherrsch­ba­re Anzahl von Ele­men­ten, die das Gesamt­sys­tem rele­vant beein­fluss­ten, gekenn­zeich­net. Die zen­tra­le Sys­tem­ver­ant­wor­tung konn­te ein sta­bi­les Sys­tem gewähr­leis­ten. Dies ändert sich zu einem Ener­gie­sys­tem mit hohem Anteil gegen­sei­tig ver­netz­ter Fel­der auf Basis einer stark wach­sen­den Anzahl dezen­tra­ler Ener­gie­quel­len und loka­ler Ener­gie­ma­nage­ment­sys­te­me, die jeweils ihre Nach­bar­fel­der beein­flus­sen, sowie der Ver­net­zung über das Inter­net. Das Gesamt­sys­tem droht im Rah­men der zen­tra­len Sys­tem­füh­rung die Ebe­ne auf dem Sta­bi­li­täts­berg zu ver­las­sen und in ein chao­ti­sches Ver­hal­ten umzu­kip­pen.

Die Lösung bei Kauffman besteht dar­in, bei einer hohen Anzahl von Fel­dern sowohl die eige­nen beein­flus­sen­den Merk­ma­le als auch die Ein­fluss­mög­lich­kei­ten der Umge­bung über Schnitt­stel­len zu begren­zen. Bei ent­spre­chen­der Wahl der beein­flus­sen­den Para­me­ter ent­steht ein koevol­vie­ren­des Sys­tem am Ran­de des Cha­os, das sich selbst orga­ni­siert und Ord­nung aus­bil­det. Dies ist letzt­end­lich die Grund­idee des zel­lu­la­ren Ansat­zes. Auf der einen Sei­te ste­hen Auto­no­mie­be­stre­bun­gen mit dezen­tra­ler Erzeu­gung und eige­ner Nut­zen­op­ti­mie­rung in der Ener­gie­zel­le. Auf der ande­ren Sei­te steht der Vor­teil eines soli­da­ri­schen Ver­bund­sys­tems als eine Art selb­st­op­ti­mie­ren­der Ener­gie­or­ga­nis­mus.

Der Vor­schlag zum zel­lu­la­ren Ansatz wur­de erst­mals in [Buch­holz, B.; Kiess­ling, A.; Nest­le, D. (07/2009)] erwähnt, wobei des­sen begriff­li­che Defi­ni­ti­on in [Kieß­ling, A. (Hrsg.); Hart­mann, G. (2014)] und im Rah­men der Spe­zi­fi­ka­ti­on des Demons­tra­ti­ons­pro­jek­tes C/sells [C/sells (2015)] wei­ter­ge­führt wur­de. Die Stu­die [Pro­gnos, et. al. (10/2016)] kal­ku­lier­te Netz­maß­nah­men auf Basis des zel­lu­la­ren Ansat­zes ent­spre­chend, dass der opti­ma­le volks­wirt­schaft­li­che Vor­teil in der Sum­me aller Akteu­re ent­steht. Ein Ver­gleich und die Opti­mie­rung von zen­tral und dezen­tral ori­en­tier­ten Aus­baupfa­den zu einer Strom­ver­sor­gung aus erneu­er­ba­ren Ener­gi­en in Deutsch­land fin­det in der Stu­die [Rei­ner Lemoi­ne Insti­tut (2013)] statt. Die weit­ge­hen­de Umset­zung des zel­lu­la­ren Kon­zep­tes wur­de aber noch nicht abschlie­ßend unter­sucht. Des­halb ist ein Weg zu fin­den, wie das heu­ti­ge Ener­gie­sys­tem mit zen­tra­ler Erzeu­gung und Steue­rung und damit weni­gen, sich gegen­sei­tig beein­flus­sen­den Hand­lungs­fel­dern in ein Sys­tem der koope­ra­ti­ven Steue­rung der ver­schie­de­nen Akteu­re über­führt wer­den kann.

Es gilt, die ver­schie­de­nen Netz- und Markt­ak­teu­re in ihren eige­nen Hand­lungs­fel­dern mit­ein­an­der in opti­mier­ter Wei­se zu ver­bün­den.

 

Berechenbarkeit oder Ordnung am Rande des Chaos

Kri­ti­ker eines dezen­tra­len Ener­gie­sys­tems holen gern das Argu­ment der unbe­herrsch­ba­ren Kom­ple­xi­tät aus der Schub­la­de. Es ist daher an der Zeit, sich dem The­ma Kom­ple­xi­tät im Ener­gie­sys­tem fun­dier­ter zu wid­men.

An die­ser Stel­le wol­len wir nicht die wirt­schaft­li­chen Chan­cen eines dezen­tra­len Ener­gie­sys­tems im Wohn- und Arbeits­um­feld der Men­schen, in den Kom­mu­nen und Regio­nen betrach­ten.   Wir wer­den nicht Gestal­tungs­ho­heit und Eröff­nung neu­er Wert­schöp­fungs­mög­lich­kei­ten dem soge­nann­ten volks­wirt­schaft­li­chen Opti­mum eines zen­tra­li­sier­ten Sys­tems gegen­über­stel­len. Es erfolgt dies­be­züg­lich kei­ne Abwä­gung der Vor­tei­le eines dezen­tral und ver­teilt gesteu­er­ten Ener­gie­sys­tems im Ver­gleich zu einem zen­tral orga­ni­sier­ten Ener­gie­ver­bund.

Wir wer­den uns viel­mehr der Fra­ge wid­men, wie ein kom­ple­xes Sys­tem zu gestal­ten ist, um das Span­nungs­feld zwi­schen Sta­bi­li­tät und Fle­xi­bi­li­tät opti­mal zu beherr­schen. Die Begrün­dung für ein Sys­tem mit zen­tra­len Ener­gie­quel­len und zen­tra­ler Steue­rung erfolgt vor­ran­gig mit Sta­bi­li­täts­ge­sichts­punk­ten zur Schaf­fung von Ord­nung und Bere­chen­bar­keit. Zen­tra­li­tät kann aber auch mit Starr­heit und begrenz­ten Hand­lungs­op­tio­nen ver­bun­den sein, wenn sich die Rah­men­be­din­gun­gen ändern. Hin­zu kommt, dass Sta­bi­li­tät mit dem Risi­ko der leich­te­ren Angreif­bar­keit sowie der Begren­zung des Markt­wir­kens und der Über­nah­me eige­ner Gestal­tungs­ho­heit erkauft wird. Ein dezen­tra­les Sys­tem benö­tigt Fle­xi­bi­li­tät, um Kom­ple­xi­tät zu beherr­schen. Ein zu fle­xi­bles Sys­tem kann wie­der­um zu chao­ti­schem Ver­hal­ten füh­ren. Bere­chen­bar­keit geht ver­lo­ren. Im Bestre­ben, das Opti­mum zwi­schen Sta­bi­li­tät und Fle­xi­bi­li­tät zu errei­chen, ist also die Ord­nung am Ran­de des Cha­os zu gestal­ten.

Tat­säch­lich ist uns auch hier die Natur Vor­bild — wie an vie­len ande­ren Stel­len. Die Ato­me eines Gases in einem geschlos­se­nen Raum ver­hal­ten sich chao­tisch. Sie sind im Raum gleich­mä­ßig ver­teilt, wobei wir dies als Zustand der Unord­nung bezeich­nen. Den Drang die­ser Ato­me, sich bei even­tu­el­len Ungleich­ge­wich­ten in der Ver­tei­lung im Raum zum Zustand der Gleich­ver­tei­lung zu bewe­gen, beschrei­ben die Wis­sen­schaft­ler mit dem zwei­ten Haupt­satz der Ther­mo­dy­na­mik. Ein sich selbst über­las­se­nes Sys­tem strebt zum Zustand höhe­rer Entro­pie, ein­fa­cher aus­ge­drückt zum Zustand wach­sen­der Unord­nung. Es ist jedoch höchst unwahr­schein­lich, dass sich alle Ato­me des Gases in einer Ecke des Rau­mes sam­meln und wir auf der gegen­über­lie­gen­den Sei­te ersti­cken. In die­sem Fall wür­de sich die Entro­pie ver­rin­gern und die Ord­nung im Sys­tem stei­gen. Alle Gas­ato­me wären auf einer Sei­te des Zim­mers auf­ge­räumt.

Die­ses Bei­spiel zeigt, dass es höchst unwahr­schein­lich ist, dass sich die in einer gewal­ti­gen Explo­si­on und nach­fol­gen­der Ver­klum­pung von Ener­gie ent­stan­de­nen Ele­men­tar­teil­chen stän­dig wei­ter auf dem Wege zur Schaf­fung von Ord­nung orga­ni­sie­ren. Auf Basis der Entro­pie­be­trach­tung ist die Wahr­schein­lich­keit, dass sich Mate­rie immer wei­ter zu bewuss­tem Leben orga­ni­siert, sehr klein. For­scher auf dem Gebiet der Kom­ple­xi­täts­theo­rie gelan­gen heu­te mehr und mehr zu der Erkennt­nis, dass Ord­nung durch Netz­wer­ke ent­steht, die sich in einem Gleich­ge­wicht zwi­schen Ord­nung und Cha­os befin­den. Nicht durch blo­ße Anord­nung der Teil­chen im Raum ent­steht Ord­nung, son­dern durch die Gestal­tung der Bezie­hun­gen und Inter­ak­tio­nen zwi­schen den Teil­chen. Den Teil­chen ist qua­si eine Infor­ma­ti­on auf­ge­prägt, die somit Grund­la­ge der Ord­nungs­bil­dung ist. Die­se Netz­wer­ke exis­tie­ren an einer Gren­ze, einem soge­nann­ten Pha­sen­über­gang. Erst die­ser Exis­tenz­be­reich ver­setzt sie in die Lage, sowohl geord­ne­te als auch fle­xi­ble Ver­hal­tens­wei­sen zu aus­zu­prä­gen.

Einer der Begrün­der die­ser For­schungs­rich­tung ist Stuart Kauffman, der in einer all­ge­mein ver­ständ­li­chen Form sei­ne Erkennt­nis­se im Buch „Der Öltrop­fen im Was­ser – Cha­os, Kom­ple­xi­tät, Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on in Natur und Gesell­schaft“ zusam­men­fass­te [Kauffman, S. (09/1998)].

Auf Basis der Betrach­tung von Netz­wer­ken als Bool­sche Gebil­de sowie der Netz­werk­kno­ten als auto­nom han­deln­de und ver­bun­de­ne zel­lu­lä­re Auto­ma­ten zusam­men mit den Model­lie­rungs­mög­lich­kei­ten neu­ro­na­ler Net­ze könn­te der Weg zum Ver­ständ­nis des The­mas Kom­ple­xi­tät und zur Anwen­dung bei der Gestal­tung der Regeln im Umfeld eines zel­lu­la­ren Ansat­zes zur Archi­tek­tur des zukünf­ti­gen Ener­gie­sys­tems gelin­gen.

Es gilt, Auto­no­mie in den Ener­gie­zel­len zu ermög­li­chen, aber gleich­zei­tig ein Ver­bund­sys­tem aus einem Netz­werk fle­xi­bler Ener­gie­zel­len zu schaf­fen. Die­ser Ver­bund besitzt auf Grund der hohen Teil­neh­mer­zahl in einem dezen­tra­len Sys­tem höhe­re Kom­ple­xi­tät, aber die Regeln des Zusam­men­wir­kens sol­len Sta­bi­li­tät und Fle­xi­bi­li­tät des Ver­bun­des garan­tie­ren. Hier­bei ent­steht eine Art Ener­gie­or­ga­nis­mus, der ana­log der Lebens­for­men sta­bil und fle­xi­bel am Ran­de des Cha­os exis­tiert.

 

Mittel zur Beherrschung von Komplexität und der Erzeugung von Ordnung

Rah­men eines Doku­men­tes zu den The­men Metho­dik, Model­le, Ter­mi­no­lo­gie, tech­ni­sche Regeln, Nor­men und Stan­dards zu Beför­de­rung von Inter­ope­ra­bi­li­tät als Grund­la­ge der Mas­sen­fä­hig­keit eines Sys­tems kann es nicht die Auf­ga­be sein, For­schungs­an­sät­ze zu eröff­nen und zu beur­tei­len.

Es ist aber im viel­fäl­ti­gen, dezen­tral und zel­lu­lär gestal­te­ten Sys­tem unver­zicht­bar, die Regeln zum Zusam­men­wir­ken von auto­nom und trotz­dem ver­bun­de­nen Ener­gie­zel­len zu defi­nie­ren, um die Kom­ple­xi­tät die­ses Gesamt­sys­tems geord­net und gleich­zei­tig fle­xi­bel ohne chao­ti­sches Ver­hal­ten zu beherr­schen.

Aus die­sem Grun­de wer­den nach­fol­gend ein paar Lite­ra­tur­quel­len ein­ge­führt, um die Beschäf­ti­gung mit der wis­sen­schaft­li­chen Basis von Zel­lu­la­ri­tät, Kom­ple­xi­tät und Ord­nung zu beför­dern.

 

Literaturempfehlungen: Zellulärer Automat und zelluläres Universum als Modell für zelluläres Energiesystem

Even­tu­ell ist die Gele­gen­heit zur Besin­nung am Beginn des neu­en Jah­res 2019 geeig­net, sich einen Über­blick zur Lite­ra­tur bezüg­lich zel­lu­lä­rer Ansät­ze und Model­le mit den Begrif­fen zel­lu­lä­rer Auto­mat und zel­lu­lä­res Uni­ver­sum zu ver­schaf­fen.

Unter­su­chun­gen zum zel­lu­lä­ren Ener­gie­sys­tem besit­zen somit Vor­bil­der, auf die bei wei­te­ren Akti­vi­tä­ten zur Model­lie­rung und Simu­la­ti­on auf­ge­setzt wer­den kann.

Empfehlung zum Thema „Komplexität“ als Enabler von Selbstorganisation

Stuart Kauffman: Der Öltrop­fen im Was­ser — Cha­os, Kom­ple­xi­tät, Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on in Natur und Gesell­schaft

Auf Basis der Betrach­tung Bool­scher Netz­wer­ke ent­wi­ckelt Stuart Kauffman einen Weg zum Ver­ständ­nis von Kom­ple­xi­tät. In einem Ver­bund von Kno­ten mit einer defi­nier­ten Anzahl von Ein- und Aus­gän­gen mit jeweils einem mög­li­chen Satz von Zustän­den steigt die Kom­ple­xi­tät bei zuneh­men­der Anzahl von Kno­ten, die zu einem chao­ti­schen Sys­tem­ver­hal­ten füh­ren kann.  Kauffman unter­such­te die Gestal­tungs­for­men der­ar­ti­ger Sys­te­me, um Sta­bi­li­tät und Fle­xi­bi­li­tät des Ver­bun­des glei­cher­ma­ßen zu garan­tie­ren. Vor­bild sind hier die meta­sta­bi­len Zustän­de bio­lo­gi­scher Sys­te­me. Der Schwer­punkt die­ses Wer­kes liegt im Zuam­men­wir­ken der Kno­ten auf Basis der Kennt­nis der Abbil­dung von Ein­gangs­zu­stän­den auf Aus­gangs­zu­stän­de der Kno­ten. Vom inne­ren Wir­ken der Kno­ten als Zel­len des Netz­wer­kes wird abs­tra­hiert.

Zitat der zuge­hö­ri­gen Rezen­si­on auf Amazon.de:

In den Natur­wis­sen­schaf­ten zeich­net sich ein neu­es Para­dig­ma ab, das in sei­ner Bedeu­tung der Theo­rie Dar­wins gleich­kommt. In sei­nem all­ge­mein­ver­ständ­li­chen Buch gibt Stuart Kauffman, Vor­den­ker und Weg­be­rei­ter des neu­en Den­kens, Ein­bli­cke in die ord­nungs­bil­den­den Kräf­te des Cha­os und zeigt, wie Kom­ple­xi­tät die Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on bewirkt. Die Viel­falt und Ähn­lich­keit selbst­or­ga­ni­sa­to­ri­scher Pro­zes­se in fast allen von den Natur- und Gesell­schafts­wis­sen­schaf­ten unter­such­ten Berei­chen legt es nahe, daß es all­ge­mei­ne Gesetz­mä­ßig­kei­ten gibt, die das Ent­ste­hen geord­ne­ter Struk­tu­ren in kom­ple­xen Sys­te­men hin­rei­chen­der Grö­ße und Kom­ple­xi­tät zur Fol­ge haben. Wich­tigs­te Eigen­schaf­ten geord­ne­ter Struk­tu­ren sind Sta­bi­li­tät gegen­über Stö­run­gen und Emer­genz gegen­über den Ein­zel­tei­len, aus denen sie bestehen.

Kauffman, S. (09/1998)

 

Empfehlung zum Thema „zellulärer Automat

Marin Ger­hardt und Hei­ke Schus­ter: Das digi­ta­le Uni­ver­sum — Zel­lu­lä­re Auto­ma­ten als Model­le der Natur

Die Ent­wick­lung des Uni­ver­sums ist gekenn­zeich­net von der Evo­lu­ti­on kom­ple­xer Ord­nun­gen, die lokal und gleich­zei­tig ver­bun­den als nicht-loka­le Orga­ni­sa­ti­on agie­ren. Zel­lu­lä­rer Auto­mat und zel­lu­lä­re Inter­pre­ta­tio­nen phy­si­ka­li­scher Theo­ri­en sind Werk­zeu­ge zum Ver­ständ­nis die­ser Kom­ple­xi­tät.

Zitat der zuge­hö­ri­gen Rezen­si­on auf Amazon.de:

“Das Gan­ze ist mehr als die Sum­me sei­ner Tei­le.” So sehr uns die­ser Satz als Bin­sen­weis­heit bekannt ist, so neu und mäch­tig ist sein Ein­fluß auf das Welt­bild unse­rer moder­nen Wis­sen­schaft. Ato­me, Mole­kü­le, Zel­len und Orga­nis­men erzeu­gen durch ein­fa­che Wech­sel­wir­kun­gen den Struk­tur­reich­tum unse­rer Welt. Ein wich­ti­ges Werk­zeug zum Ver­ständ­nis die­ser Kom­ple­xi­tät sind Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen, mit denen sich For­scher der Wirk­lich­keit künst­lich annä­hern. Zel­lu­lä­re Auto­ma­ten sind sol­che Simu­la­ti­ons­mo­del­le. In ihnen wird die Welt zu einem digi­ta­len Uni­ver­sum — einem Zusam­men­schluß sim­pels­ter, ver­netz­ter Digi­tal­com­pu­ter, die mit ein­fachs­ten Pro­gram­men kom­ple­xe makro­sko­pi­sche Struk­tu­ren erzeu­gen. Die­ses Buch führt Sie durch den digi­ta­len Kos­mos und zeigt Ihnen anhand zahl­rei­cher Bei­spie­le die Stär­ken und Schwä­chen die­ser Simu­la­ti­ons­in­stru­men­te auf. Es setzt Sie aber eben­falls dem unwi­der­steh­li­chen Reiz die­ser ein­fa­chen Spie­le aus, mit denen Sie auf jedem Com­pu­ter sel­ber zum Schöp­fer künst­li­cher Wel­ten wer­den kön­nen.

Ger­hardt, M.; Schus­ter, H. (01/1995)

 

Empfehlung zu „zellulärer Automat“ und Modellierung als Mittel zur Untersuchung komplexer Systeme

Ste­phen Wolf­ram: Cel­lu­lar Auto­ma­ta and Com­ple­xi­ty — Collec­ted Papers

Zu Beginn der 1980-er Jah­re schlug Ste­phen Wolf­ram die Abbil­dung kom­ple­xer Zusam­men­hän­ge durch rela­tiv ein­fa­che Com­pu­ter­pro­gram­me vor. Heu­te resul­tiert aus die­sem Vor­ge­hen die Abbil­dung der mensch­li­chen Denk­vor­gän­ge in Com­pu­ter­pro­gram­men für neura­le Net­ze, die kom­ple­xe Leis­tun­gen der mensch­li­chen Intel­li­genz erfolg­reich nach­voll­zie­hen kön­nen. Dar­aus resul­tie­ren Arbei­ten zur Model­lie­rung und Unter­su­chung zel­lu­lä­rer Ener­gie­sys­te­me als Mit­tel der Kom­ple­xi­täts­be­herr­schung in einen zuneh­mend erneu­er­ba­ren, dezen­tra­len und gleich­zei­tig ver­bun­de­nen, zel­lu­lä­ren Ener­gie­sys­tem.

Zitat der zuge­hö­ri­gen Rezen­si­on auf Amazon.de:

Sind mathe­ma­ti­sche Glei­chun­gen der bes­te Weg, um die Natur zu model­lie­ren? Seit vie­len Jah­ren wur­de davon aus­ge­gan­gen, dass sie es waren. Aber in den frü­hen 1980er Jah­ren mach­te Ste­phen Wolf­ram den radi­ka­len Vor­schlag, statt­des­sen Model­le zu bau­en, die direkt auf ein­fa­chen Com­pu­ter­pro­gram­men basie­ren. Wolf­ram unter­such­te eine Klas­se sol­cher Model­le, die unter dem Begriff zel­lu­lä­rer Auto­mat bekannt sind und ent­deck­te eine bemer­kens­wer­te Tat­sa­che: Dass selbst wenn die zugrun­de lie­gen­den Regeln sehr ein­fach sind, das Ver­hal­ten, das sie erzeu­gen, sehr kom­plex sein kann und vie­le Merk­ma­le des­sen nach­ah­men kann, was wir in der Natur sehen. Auf der Grund­la­ge die­ses Ergeb­nis­ses begann Wolf­ram ein For­schungs­pro­gramm zur Ent­wick­lung des­sen, was er “A Sci­ence of Com­ple­xi­ty” nann­te: Die Ergeb­nis­se von Wolf­rams Arbeit fan­den vie­le Anwen­dun­gen, von der so genann­ten Wolf­ram-Klas­si­fi­ka­ti­on zen­tral über Berei­che wie künst­li­ches Leben bis hin zu neu­en Ide­en über Kryp­to­gra­phie und Strö­mungs­dy­na­mik. Die­ses Buch ist eine Samm­lung von Wolf­rams Ori­gi­nal­ar­bei­ten über zel­lu­lä­re Auto­ma­ten und Kom­ple­xi­tät. Eini­ge die­ser Arbei­ten sind in der wis­sen­schaft­li­chen Gemein­schaft weit­hin bekannt, ande­re wur­den noch nie zuvor ver­öf­fent­licht. Gemein­sam bie­ten die Papie­re einen hoch­gra­dig les­ba­ren Über­blick über das, was zu einem wich­ti­gen neu­en Wis­sen­schafts­ge­biet gewor­den ist, mit bedeu­ten­den Aus­wir­kun­gen auf Phy­sik, Bio­lo­gie, Wirt­schaft, Infor­ma­tik und vie­le ande­re Berei­che.

Wolf­ram, S. (02/1994)

 

Empfehlung zu „zellulärer Automat“ und Quantenmechanik

Gerard ‘t Hooft: The Cel­lu­lar Auto­maton Inter­pre­ta­ti­on of Quan­tum Mecha­nics — (Fun­da­men­tal Theo­ries of Phy­sics, Band 185)

Die­ses Werk des Phy­sik-Nobel­preis­trä­gers Gerard ‘t Hooft scheint weit ent­fernt von den Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten der zel­lu­lä­ren Auto­ma­ten für die Model­lie­rung tech­ni­scher Sys­te­me zu sein. Aber im Kern offen­bart es für den natur­wis­sen­schaft­lich vor­ge­bil­de­ten Leser tie­fe Ein­sich­ten in ein zel­lu­lär orga­ni­sier­tes Uni­ver­sum als Vor­bild für zel­lu­lär gestal­te­te Sys­te­me der mensch­li­chen Welt, wie zum Bei­spiel auch für ein zel­lu­lä­res Ener­gie­sys­tem.

Zitat der zuge­hö­ri­gen Rezen­si­on auf Amazon.de:

Die­ses Buch stellt die von Nobel­preis­trä­ger Gerard ‘t Hooft ent­wi­ckel­te deter­mi­nis­ti­sche Sicht­wei­se der Quan­ten­me­cha­nik dar. Unzu­frie­den mit den unbe­que­men Lücken in der Art und Wei­se, wie die kon­ven­tio­nel­le Quan­ten­me­cha­nik mit der klas­si­schen Welt inein­an­der­greift, hat ‘t Hooft die alten ver­steck­ten Varia­blen­ide­en wie­der­be­lebt, aber jetzt viel sys­te­ma­ti­scher als sonst. Dabei wird die Quan­ten­me­cha­nik nicht als Theo­rie, son­dern als Werk­zeug betrach­tet. Der Autor gibt Bei­spie­le für Model­le, die im Wesent­li­chen klas­sisch sind, aber durch den Ein­satz von Quan­ten­tech­ni­ken ana­ly­siert wer­den kön­nen, und argu­men­tiert, dass selbst das Stan­dard­mo­dell zusam­men mit Gra­vi­ta­ti­ons­in­ter­ak­tio­nen als quan­ten­me­cha­ni­scher Ansatz zur Ana­ly­se eines Sys­tems ange­se­hen wer­den könn­te, das im Kern klas­sisch sein könn­te. Er zeigt, wie die­ser Ansatz, auch wenn er auf ver­steck­ten Varia­blen basiert, plau­si­bel mit dem Bell’schen Satz in Ein­klang gebracht wer­den kann und wie die übli­chen Ein­wän­de gegen die Idee des “Super­de­ter­mi­nis­mus” zumin­dest im Prin­zip über­wun­den wer­den kön­nen. Die­ses Frame­work erklärt — und heilt auto­ma­tisch — ele­gant die Pro­ble­me des Zusam­men­bruchs der Wel­len­funk­ti­on und des Mess­pro­blems. Selbst die Exis­tenz eines “Pfeils der Zeit” lässt sich viel­leicht ele­gan­ter als sonst erklä­ren. Neben der Über­prü­fung der frü­he­ren Arbeit des Autors auf die­sem Gebiet ent­hält das Buch auch vie­le neue Beob­ach­tun­gen und Berech­nun­gen. Es bie­tet anre­gen­des Lesen für alle Phy­si­ker, die an den Grund­la­gen der Quan­ten­theo­rie arbei­ten.

t Hooft, G. (09/2016)

 

Empfehlung zur Nutzung der Automatentheorie zum Verständnis des Universums und technischer Systeme

Kon­rad Zuse: Rech­nen­der Raum — Schrif­ten zur Daten­ver­ar­bei­tung

Einen his­to­ri­schen Ein­blick in das Ent­ste­hen der Auto­ma­ten­theo­rie auf Basis der Mög­lich­kei­ten der elek­tro­ni­schen Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung erlaubt die­ses Werk des Pio­niers der Com­pu­ter­ent­wick­lung Kon­rad Zuse. Die elek­tro­ni­sche Daten­ver­ar­bei­tung ist einer­seits Mit­tel zur Berech­nung phy­si­ka­li­scher Sys­te­me. Die Ent­wick­lung der Auto­ma­ten­theo­rie schuf aber gleich­zei­tig neue Mög­lich­kei­ten zum Ver­ständ­nis des Uni­ver­sums und hat­te somit eine bedeu­ten­de Rück­wir­kung auf die Bil­dung phy­si­ka­li­scher Model­le.

Zitat der zuge­hö­ri­gen Rezen­si­on auf Amazon.de:

Es ist uns heu­te selbst­ver­ständ­lich, daß nume­ri­sche Rechen­ver­fah­ren erfolg­reich ein­ge­setzt wer­den kön­nen, um phy­si­ka­li­sche Zusam­men­hän­ge zu durch­leuch­ten. Dabei haben wir eine mehr oder weni­ger enge Ver­flech­tung zwi­schen Mathe­ma­ti­kern, Phy­si­kern und den Fach­leu­ten der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung. Die mathe­ma­ti­schen Lehr­ge­bäu­de die­nen dem Auf­bau phy­si­ka­li­scher Model­le, deren nume­ri­sche Durch­rech­nung heu­te mit elek­tro­ni­scher Daten­ver­ar­bei­tung erfolgt. Die Auf­ga­be der Fach­leu­te der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung besteht im Wesent­li­chen dar­in, für die von den Mathe­ma­ti­kern und Phy­si­kern ent­wi­ckel­ten Model­le mög­lichst brauch­ba­re nume­ri­sche Lösun­gen zu fin­den. Ein rückwirkender’Einfluß der Daten­ver­ar­bei­tung auf die Model­le und die phy­si­ka­li­sche Theo­rie selbst besteht ledig­lich indi­rekt in der bevor­zug­ten Anwen­dung sol­cher Metho­den, die der nume­ri­schen Lö­ sung beson­ders leicht zugäng­lich sind. Das enge Zusam­men­spiel zwi­schen Mathe­ma­ti­kern und Phy­si­kern hat sich sehr güns­tig in Bezug auf die Ent­wick­lung der Model­le theo­re­ti­scher Phy­sik aus­ge­wirkt. Das moder­ne Gebäu­de der Quan­ten­theo­rie ist weit­ge­hend rei­ne bzw. ange­wand­te Mathe­ma­tik. Es scheint daher die Fra­ge berech­tigt, ob die Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung bei die­sem Zusam­men­spiel nur eine aus­füh­ren­de Rol­le spie­len kann, oder ob auch dort befruch­ten­de Ide­en gege­ben wer­den kön­nen, wel­che die phy­si­ka­li­schen Theo­ri­en selbst rück­wir­kend beein­flus­sen. Die­se Fra­ge ist umso berech­tig­ter, als sich in enger Zusam­men­ar­beit mit der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung ein neu­er Zweig der Wis­sen­schaft ent­wi­ckelt hat, näm­lich die Auto­ma­ten­theo­rie.

Zuse, K. (01/1969)

Verweise

Buch­holz, B., Kieß­ling, A., & Nest­le, D. (2009) Indi­vi­du­al custo­mers” influ­ence on the ope­ra­ti­on of vir­tu­al power plants (Vol. PES ’09). Cal­ga­ry; 26–30 July: Power & Ener­gy Socie­ty Gene­ral Mee­ting. doi:Digital Object Iden­ti­fier: 10.1109/PES.2009.5275401

Kauffman, S. (09/1998). Der Öltrop­fen im Was­ser: Cha­os, Kom­ple­xi­tät, Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on in Natur und Gesell­schaft. Mün­chen. Piper Ver­lag GmbH. Auf­la­ge: Sep­tem­ber 1998. ISBN-10: 3492035493. ISBN-13: 978–3492035491

Kieß­ling, A., & Hart­mann, G. (2014) Ener­gie zyklisch den­ken. Lei­men: E-Book (Ama­zon). Retrie­ved from https://www.amazon.de/Energie-zyklisch-denken-Andreas-Kie%C3%9Fling-ebook/dp/B00O7UK1PI

Ger­hardt, M.; Schus­ter, H. (01/1995). Das digi­ta­le Uni­ver­sum: Zel­lu­lä­re Auto­ma­ten als Model­le der Natur. Braunschweig/Wiesbaden. Vieweg+Teubner Ver­lag. Auf­la­ge: 1995 (1. Janu­ar 1995). ISBN-10: 9783322850065. ISBN-13: 978–33228500

Nel­son, Richard R.; Win­ter, Sid­ney (1982) An evo­lu­tio­na­ry theo­ry of eco­no­mic chan­ge. The Bel­knap Press of Uni­ver­si­ty Har­vard Press. Cam­bridge, Mas­sa­chu­setts, and Lon­don, Eng­land. ISBN: 0–674-27228–5

[Pro­gnos et. al. (2016)] Pro­gnos, Ener­gie Cam­pus Nürn­berg; Fried­rich-Alex­an­der Uni­ver­si­tät Erlan­gen-Nürn­berg. (2016). Dezen­tra­li­tät und zel­lu­la­re Opti­mie­rung – Aus­wir­kun­gen auf den Netz­aus­bau­be­darf. Stu­die im Auf­trag der N-ERGIE Akti­en­ge­sell­schaft, Ber­lin und Nürn­berg; 07.10.2016.

t Hooft, G. (09/2016). The Cel­lu­lar Auto­maton Inter­pre­ta­ti­on of Quan­tum Mecha­nics: Fun­da­men­tal Theo­ries of Phy­sics, Band 185. Berlin/Heidelberg. Sprin­ger. Auf­la­ge: 1st ed. 2016 (13. Sep­tem­ber 2016). ISBN-10: 9783319412849. ISBN-13: 978–3319412849

[Rei­ner Lemoi­ne Insti­tut (2013)] Ver­gleich und Opti­mie­rung von zen­tral und dezen­tral ori­en­tier­ten Aus­baupfa­den zu einer Strom­ver­sor­gung aus Erneu­er­ba­ren Ener­gi­en in Deutsch­land. Stu­die im Auf­trag von Haleaka­la Stif­tung, 100 Pro­zent Erneu­er­bar Stif­tung, Bun­des­ver­band mit­tel­stän­di­sche Wirt­schaft. Ber­lin. 21. Okto­ber 2013

Wolf­ram, S. (02/1994). Cel­lu­lar Auto­ma­ta And Com­ple­xi­ty: Collec­ted Papers. Bol­der, Colo­ra­do. West­view Press. Auf­la­ge: 1994 (21. Febru­ar 1994). ISBN-10: 9780201626643. ISBN-13: 978–0201626643

Zuse, K. (01/1969). Rech­nen­der Raum: Schrif­ten zur Daten­ver­ar­bei­tung. Wies­ba­den. Vieweg+Teubner Ver­lag. Auf­la­ge: 1969 (1. Janu­ar 1969). ISBN-10: 366300810X. ISBN-13: 978–3663008101