Offene Systeme — die merkwürdige Welt des Nichtgleichgewichts

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Abstract
Das Jahr 1990 bedeutet für mich ein besonderes Jubiläumsjahr, da ich vor genau dreißig Jahren anläßlich eines Forschungsaufenthalts bei den Bell Telephone Laboratories in den USA zum ersten Mal davon hörte, daß die dortigen Laboratorien eine völlig neuartige Lichtquelle, den Laser, bauen wollten. Dies sollte für mich zu einer dreißigjährigen Forschungsarbeit auf dem Gebiet des Lasers und damit, wie sich später zeigen sollte, vieler anderer damit eng verwandter Phänomene führen. Ich werde also diese Gelegenheit zum Anlaß für einen Rückblick nehmen, aber auch auf einige Zukunftsperspektiven eingehen.Was sind offene Systeme? Darunter versteht man solche Systeme, durch die ein Energie‐ oder Materiefluß hindurchgeschickt wird, wobei Energie und Materie Umwandlungen erfahren. Der Laser ist bereits ein hervorragendes Beispiel hierfür. Beim Gaslaser zum Beispiel wird einem System durch den elektrischen Strom Energie zugeführt, die Energieabfuhr erfolgt dann zum Teil durch das ausgestrahlte Laserlicht, zum Teil durch Wärme etc. Ist die Energiezufuhr bei einem solchen offenen System stark genug, so wird das System weit weg vom thermischen Gleichgewicht getrieben. Es kommt in einen sog. Nichtgleichgewichtszustand. Hier treten nun Erscheinungen auf, die deshalb so merkwürdig sind, weil sie oft unserer Intuition widersprechen, insbesondere wenn diese durch die Thermodynamik geprägt ist. Erhöhen wir bei einem solchen System die Energie‐ oder, präziser ausgedrückt, die Leistungszufuhr, so erwarten wir eine weitere Erwärmung und damit eine Erhöhung der Unordnung. Im Gegenteil dazu schlagen aber eine ganze Reihe von offenen Systemen plötzlich um: Makroskopisch geordnete Strukturen entstehen, kohärente Bewegungsvorgänge laufen ab, oder das System ist in der Lage, ganz neue Funktionen zu übernehmen. Nach der Thermodynamik sollte die Erhöhung von Ordnung mit einer Abnahme der Entropie verknüpft sein, wie man es z. B. bei der Kristallbildung kennt. Bei Systemen im Nichtgleichgewicht wird aber mit erhöhter Ordnung auch die statistische Entropie erhöht, wie wir an konkreten Beispielen im einzelnen nachweisen konnten. Außerdem verliert der Begriff der thermodynamischen Entropie, wie weiter unten zu sehen sein wird, in solchen Systemen seinen Sinn. Erhöhen wir die Leistungszufuhr weiter, so durchlaufen offene Systeme eine ganze Reihe von Instabilitäten, wobei jedesmal neue räumliche, zeitliche oder raumzeitliche Strukturen gebildet werden.

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