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Göttingen Ordnung und Unordnung: Forscher finden einfache Lösung
Campus Göttingen Ordnung und Unordnung: Forscher finden einfache Lösung
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21:37 02.07.2013
Versuchsaufbau: 30 Metronome verteilt auf zwei Schaukeln, die über Federn miteinander verbunden sind. Quelle: EF
Göttingen

Japanische Wissenschaftler hatten dies in theoretischen Überlegungen berechnet. Die Forscher des MPIDS entwickelten dafür einen Versuchsaufbau mit 30 schaukelnden Metronomen.

Die rätselhafte Mischung aus Ordnung und Unordnung ließ sich bis jetzt in keinem realen System finden, teilt das MPIDS mit. Lediglich Experimente, bei denen ein Computer die Wechselwirkung der einzelnen Systemkomponenten von außen steuert, machte der Wissenschaftsgemeinde Hoffnung weiterzusuchen.

30 handelsübliche Metronome

Forschern des MPIDS, der Technischen Universität von Dänemark und der Princeton University ist nun ein Durchbruch gelungen – mit einem erstaunlich einfachen Versuchsaufbau. „Vor mehr als 300 Jahren beobachtete der niederländische Physiker Christiaan Huygens zwei Pendeluhren auf einem aufgehängten Balken“, beschreibt Dr. Erik A. Martens vom MPIDS den historischen Versuchsaufbau, der die neue Studie inspirierte. Unabhängig vom Ausgangszustand der beiden Uhren schwingen sie nach einiger Zeit im exakten Gegentakt.

Für ihren Versuchsaufbau platzierten die Forscher 30 handelsübliche Metronome auf zwei Schaukeln, die mit einer elastischen Feder verbunden waren. „Die Rechnungen der japanischen Kollegen legten nahe, dass die Art und Weise, wie die einzelnen Komponenten miteinander wechselwirken, entscheidend ist“, erklärt Dr. Shashi Thutupalli vom MPIDS. Schlagen die Metronome mit derselben Frequenz und wechselwirkt jedes gleich stark mit jedem anderen, treten nur völlige Synchronizität oder Durcheinander auf. Teilsynchrone Zustände sind unter diesen Bedingungen nicht möglich. „Unser Ziel war es, ein System zu konzipieren, in dem die Wechselwirkung der Komponenten schwächer wird, je weiter sie voneinander entfernt sind“, so Thutupalli.

Metronome auf der gleichen Schaukel stehen über die Schwingungen, die sie auf die Schaukel übertragen, mit einander in einer starken Beziehung. Metronome hingegen, die sich auf verschiedenen Schaukeln befinden – somit recht weit voneinander entfernt sind – sind nur indirekt über die Feder zwischen den Schaukeln mit einander verbunden. Dies ist eine eher schwache Kopplung.

Kopplungsstärke zwischen den Schaukeln

Damit die gesuchten Mischzustände wirklich auftreten, mussten die Forscher die richtige Kopplungsstärke zwischen den Schaukeln finden. „Die Feder zwischen den Schaukeln darf weder zu starr, noch zu weich sein“, erklärt Martens. Während die Metronome auf einer Schaukel dann im perfekten Gleichtakt ticken, durchbrechen die anderen diesen Rhythmus und schwingen wild durcheinander.

Auch Computersimulationen, in denen die Forscher ihr System aus Schaukeln und Metronomen in Gleichungen modellierten, bestätigen den Fund: Die Symmetrie zwischen der rechten und der linken Schaukel ist gebrochen. „Wir haben sorgfältig überprüft, dass dieser Symmetriebruch nicht einem ungenauen, asymmetrischen Versuchsaufbau geschuldet ist“, betont Thutupalli. „So mussten wir beispielsweise sicherstellen, dass die Reibungsverluste beider Schaukeln exakt gleich sind“, ergänzt er.

Phänomene wie Trägheit und Reibung

Trotz dieser experimentellen Schwierigkeiten sei der Versuch im Prinzip erstaunlich einfach. „Forscher in aller Welt haben zehn Jahre lang nach einem solchen System gesucht. Da ist es schon eine kleine Sensation, dass es sich aus solch banalen Bestandteilen wie Schaukeln, Federn und Metronomen aufbauen lässt“, so Martens.

„Auf den ersten Blick wirkt das Experiment vielleicht konstruiert“, sagt Forschungsgruppenleiter Dr. Oskar Hallatschek. Es sei aber ein völlig natürliches System, in dem typische Phänomene wie Trägheit und Reibung auftreten. „Es ist deshalb anzunehmen, dass die Mischzustände auch in anderen Systemen etwa aus Bereichen wie Elektronik, Chemie oder Optomechanik auftreten.“

eb/fri

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