Nobelpreisträger George Parisi: Mit den Staren fliegen und tun, was noch niemand zuvor getan hat

Im Jahr 2021 erhielt der italienische Physiker Giorgio Parisi den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Beiträge zur Theorie komplexer Systeme, „für die Entdeckung der gegenseitigen Beeinflussung von Unordnung und Fluktuationen in physikalischen Systemen vom atomaren bis zum planetarischen Maßstab.“ Im Jahr 1979 nutzte Parisi geschickt die Replikationstechnik, um das Spinglasproblem zu lösen, das später mathematisch bewiesen wurde und seitdem zum Eckpfeiler der Theorie komplexer Systeme geworden ist. Physiker erforschen im Labor alle möglichen ungeordneten Systeme, aber Parisi geht noch weiter. Er ging nach draußen und blickte in den Himmel: Unzählige Stare flogen rhythmisch, als ob sie unter der Leitung eines Orchesters stünden – wie gelang ihnen ein solch komplexes kollektives Verhalten? Der deutsche Physiker Kurt Symanzik beschrieb Parisi einmal als „zu wild“, und ja, Parisi möchte mit den Staren fliegen.

Geschrieben von George Parisi

Übersetzung | Wen Zheng

Interaktion ist ein wichtiges Thema, das auch zum Verständnis psychologischer, sozialer und wirtschaftlicher Phänomene herangezogen werden kann. Besonders interessiert uns, wie einzelne Mitglieder eines Schwarms miteinander kommunizieren können, um im Gleichklang zu fliegen und eine Gruppe zu bilden, die sowohl kollektives Verhalten als auch multiple Strukturen aufweist.

Es ist faszinierend, das kollektive Verhalten von Tieren zu beobachten, sei es ein Vogelschwarm am Himmel, ein Fischschwarm im Wasser oder eine Gruppe von Säugetieren.

Wenn die Sonne untergeht, sehen wir Vogelschwärme, die einen zauberhaften Anblick bieten, mit Tausenden tanzenden kleinen Tintenpunkten, die sich vom farbenfrohen Himmel abheben. Man sah, wie sie zusammen flogen, ohne miteinander zu kollidieren oder sich zu zerstreuen. Sie überflogen Hindernisse, evakuierten sich manchmal, sammelten sich manchmal und änderten ständig ihre räumliche Anordnung, als ob ihnen ein Kapellmeister Anweisungen gäbe. Wir starrten diese Vögel lange an, weil es immer etwas Neues, Verändertes und Unerwartetes gab. Manchmal leiden Wissenschaftler sogar angesichts solch reiner Schönheit an Berufskrankheiten und viele Fragen schießen ihnen durch den Kopf. Handelt es sich hierbei um ein kollektives Verhalten, das von einem Bandleiter organisiert wird, oder sind sie es selbst? Wie verbreiten sich Informationen so schnell in einem Vogelschwarm? Wie konnte sich ihre Formation so schnell ändern? Wie sind die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen dieser Vögel verteilt? Wie können sie gemeinsam drehen, ohne miteinander zu kollidieren? Könnte es sein, dass einfache Interaktionsregeln zwischen Staren es ihnen ermöglichen, komplexe und vielfältige kollektive Bewegungen auszuführen, wie wir sie am Himmel über Rom beobachtet haben?

Stare

Wenn Sie neugierig sind und diese Fragen beantworten möchten, beginnen Sie mit der Recherche: Früher haben Sie in einem Buch nachgeschlagen, heute können Sie dies online tun. Wenn Sie Glück haben, finden Sie die Antwort, aber was, wenn es keine Antwort gibt? Weil niemand weiß, was los ist. Nun, wenn Sie wirklich so neugierig sind, werden Sie sich fragen, ob Sie der Einzige sind, der diese Frage beantworten kann. Lassen Sie sich von dieser beispiellosen Forschung nicht einschüchtern; schließlich ist es das, was Sie tun: Sie nutzen Ihre Vorstellungskraft, um Dinge zu tun, die noch nie zuvor getan wurden. Sie können jedoch nicht Ihr ganzes Leben damit verbringen, Panzertüren zu öffnen, für die Sie keinen Schlüssel haben . Bevor Sie loslegen, müssen Sie wissen, ob Sie über die erforderlichen Fähigkeiten und technischen Hilfsmittel verfügen, um Ihr Vorhaben bis zum Ende zu unterstützen. Niemand kann Ihnen den Erfolg garantieren. Sie möchten beispielsweise, dass Ihr Herz über dieses Hindernis fliegt, aber wenn das Hindernis zu hoch ist und Ihr Herz gegen die Wand stößt, ist es besser, diese Idee aufzugeben.

Komplexes kollektives Verhalten

Der Flug der Stare fasziniert mich besonders, weil er einen wichtigen Hinweis liefert, der nicht nur für meine Forschung relevant ist, sondern auch für viele andere Forschungsarbeiten in der modernen Physik, bei denen es darum geht, das Verhalten eines Systems zu verstehen, das aus vielen interagierenden Komponenten (Akteuren) besteht. In der Physik können diese Akteure je nach Situation Elektronen, Atome, Spins oder Moleküle sein. Jedes von ihnen verhält sich sehr einfach, aber wenn man sie zusammenbringt, erzeugen sie ein sehr komplexes kollektives Verhalten. Seit dem 19. Jahrhundert versucht die statistische Physik, Fragen zu beantworten wie etwa, warum Flüssigkeiten bei bestimmten Temperaturen kochen oder gefrieren; warum manche Stoffe Strom gut leiten und Wärme gut übertragen (wie etwa Metalle), während andere isolierend sind … Die Antworten auf diese Fragen wurden schon vor langer Zeit gefunden, aber wir suchen immer noch danach.

Bei all diesen physikalischen Problemen können wir quantitativ verstehen, wie kollektives Verhalten mit einfachen Regeln der Interaktion zwischen einzelnen Spielern beginnt. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die Anwendbarkeit der Techniken der statistischen Mechanik von unbelebter Materie auf Tiere wie Stare auszuweiten. Diese Ergebnisse sind nicht nur für die Ökologie und Evolutionsbiologie relevant, sondern werden auf lange Sicht auch das Verständnis der Geisteswissenschaften vertiefen, die sich mit wirtschaftlichen und sozialen Phänomenen befassen. In diesen Disziplinen untersuchen wir eine große Anzahl von Menschen, die miteinander interagieren. Daher ist es notwendig, die Zusammenhänge zwischen dem Verhalten einzelner Individuen und dem kollektiven Verhalten zu verstehen.

Menschen gehen auf der Straße in Osaka, Japan

Der große amerikanische Physiker Philip Warren Anderson (Nobelpreisträger 1977) veröffentlichte 1972 einen provokanten Artikel mit dem Titel „The Many Are Different“ (Anmerkung des Herausgebers: siehe „The Many Are Different: Broken Symmetries and the Nature of Scientific Hierarchy“), der folgenden Standpunkt vertrat. Er glaubt, dass die Zunahme der Anzahl der Komponenten eines Systems nicht nur die quantitative Veränderung des Systems bestimmt, sondern auch seine qualitative Veränderung. Daher besteht das wichtigste konzeptionelle Problem, mit dem sich die Physik auseinandersetzen muss, darin, die Beziehung zwischen mikroskopischen Regeln und makroskopischem Verhalten zu verstehen.

Stare

Um ein Problem zu erklären, müssen wir es zunächst vollständig verstehen. Daher fehlte uns zu Beginn eine entscheidende Information: Wir mussten verstehen, wie sich die Vogelschwärme durch die Luft bewegten, doch diese Information war damals nicht verfügbar. Tatsächlich wurden die meisten Videos und Fotos von Vogelschwärmen, die wir damals hatten (und die leicht online zu finden sind), aus einer einzigen Perspektive aufgenommen und enthielten keinerlei dreidimensionale Informationen. In gewisser Weise sind wir wie die Gefangenen in Platons Höhlenmythos, die nur die zweidimensionalen Schatten sehen können, die auf die Höhlenwand projiziert werden, und die dreidimensionalen Eigenschaften von Objekten nicht erfassen können.

Genau dieses Problem ist zu einer weiteren treibenden Kraft hinter meinem Forschungsinteresse geworden: Die Untersuchung der Vogelschwarmbewegungen sollte ein umfassendes Thema sein. Es umfasst die Versuchsplanung, die Erfassung und Analyse von Daten, die Entwicklung von Computercode für Simulationen und die Interpretation der Versuchsergebnisse, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen.

Wie Sie alle wissen, beschäftige ich mich seit einiger Zeit mit Forschungen im Bereich der statistischen Physik. Die Forschungsmethoden dieser Disziplin sind für die dreidimensionale Rekonstruktion der Flugrouten von Staren von wesentlicher Bedeutung. Was mich an dieser Arbeit jedoch wirklich reizt, ist die Beteiligung an der Versuchsplanung und -durchführung. Wir theoretischen Physiker meiden normalerweise das Labor und beschäftigen uns nur mit abstrakten Konzepten. Das Lösen praktischer Probleme erfordert die Kontrolle vieler Variablen. Konkret: Von der Auflösung des Kameraobjektivs bis zur optimalen Aufnahmeposition der Kamera, von der Menge des Datenspeichers bis zur Analysetechnologie entscheidet jedes Detail über Erfolg oder Misserfolg des Experiments. Sesselkrieger sind sich einfach nicht darüber im Klaren, auf wie viele Probleme sie auf dem Schlachtfeld stoßen werden. Ich habe die Forschung außerhalb des Labors nie gemocht.

Stare sind äußerst interessante Tiere. Vor Hunderten von Jahren verbrachte dieser Vogel die wärmeren Monate in Nordeuropa, bevor er zum Überwintern nach Nordafrika flog. Heute führt die globale Erwärmung zu höheren Temperaturen im Winter und auch in unseren Städten wird es immer wärmer, nicht nur aufgrund ihrer zunehmenden Größe, sondern auch aufgrund der Diversifizierung der Wärmequellen (Heizung von Häusern, Verkehr). Dies hat zur Folge, dass viele Stare nicht mehr über das Mittelmeer fliegen, sondern den Winter in einigen Küstenstädten Italiens verbringen, darunter auch in Rom, wo der Winter viel milder ist als früher.

Die Stare kommen Anfang November in Rom an und fliegen Anfang März wieder weg. Ihre Wanderungen erfolgen sehr pünktlich und der Zeitpunkt ihrer Wanderungen wird möglicherweise nicht ausschließlich von der Temperatur bestimmt, sondern auch von astronomischen Gründen, beispielsweise der Dauer des Tageslichts. In Rom ruhen sich Stare nachts auf immergrünen Bäumen aus, um Schutz vor Wind und Kälte zu finden. Tagsüber, wenn es in der Stadt schwierig ist, Nahrung zu finden, bilden sie Gruppen von über hundert Tieren und fliegen auf der Suche nach Nahrung in die ländlichen Gebiete außerhalb der Ringstraße. Sie sind soziale Tiere, die an das Leben in Gruppen gewöhnt sind: Wenn sie auf einem Feld Halt machen, frisst die Hälfte der Vögel friedlich, während die andere Hälfte das Feld umringt und mögliche Raubtiere aufmerksam beobachtet. Beim Erreichen des nächsten Feldes tauschen die beiden Seiten die Rollen. Nachts fliegen Stare in riesigen Schwärmen über den römischen Himmel, bevor sie in die Wärme der Stadt zurückkehren, um in den Bäumen zu schlafen. Aber Stare sind auf jeden Fall noch immer Tiere, die sehr empfindlich auf den kalten Winter reagieren: Nach mehreren Nächten mit bitterkaltem Wind findet man leicht viele ihrer Kadaver verstreut unter großen Bäumen, die nicht stark genug sind, um Wind und Kälte abzuhalten.

Daher ist die Wahl eines guten Lebensraums eine Frage von Leben und Tod. Ihr Tanz am Himmel in der Dämmerung war vermutlich ein weithin sichtbares Signal, dass geeignete Quartiere für die Nacht zur Verfügung standen. Es ist wie eine riesige wehende Signalflagge, äußerst auffällig. Ich selbst habe diese Vogeltänze aus einer Entfernung von zehn Kilometern in der klaren Winterdämmerung gesehen. Sie waren ein grauschwarzer Fleck, der sich wie eine Amöbe über den Himmel bewegte, als am fernen Horizont noch ein Lichtstrahl zu sehen war. Als es dunkel wurde, begannen die ersten Vogelschwärme, die von der Nahrungssuche auf dem Land zurückgekehrt waren, immer wilder zu fliegen, und auch die spät zurückkehrenden Schwärme kehrten in die Stadt zurück und sammelten sich schließlich zu Formationen von Tausenden von Staren. Etwa eine halbe Stunde nach Sonnenuntergang, wenn das Tageslicht völlig verschwunden ist, fliegen die Vögel schnell zu den großen Bäumen, wo sie ihre Schlafplätze einnehmen, und die Bäume verschlucken sie vollständig wie Dolinen.

Wanderfalken halten sich oft in der Nähe von Starenschwärmen auf und suchen nach Nahrung für ihr Abendessen. Wenn Sie nicht aufpassen, werden Sie sie überhaupt nicht bemerken. Unsere Aufmerksamkeit gilt den Staren und nur wenige Menschen, die gezielt nach Wanderfalken Ausschau halten, werden diese Greifvögel bemerken. Obwohl der Wanderfalke ein Greifvogel mit einer Flügelspannweite von einem Meter ist und im Sturzflug Geschwindigkeiten von über 200 Kilometern pro Stunde erreichen kann, sind Stare keine leichte Beute. Tatsächlich kann es bei einer Kollision zwischen einem Wanderfalken und einem Star im Flug zum Bruch der empfindlichen Flügel des Falken kommen, was zu einem tödlichen Unfall führen kann. Der Wanderfalke wagt sich deshalb nicht in die Starenformation, sondern wartet nur auf eine Gelegenheit, die einzelnen Tiere am Rand einzufangen. Auf den Angriff des Wanderfalken reagieren die Stare, indem sie näher zusammenrücken, sich in Gruppen zusammenschließen und schnell die Richtung ändern, um den tödlichen Klauen des Wanderfalken auszuweichen. Einige der dramatischsten Formationsänderungen der Stare dienen dazu, den wiederholten Angriffen der Wanderfalken entgegenzuwirken, die immer wieder viele Angriffe starten müssen, um Stare zu fangen. Es ist wahrscheinlich, dass das Verhalten vieler Stare von der Notwendigkeit bestimmt ist, diese schrecklichen Angriffe zu überleben.

Unser Experiment

Lassen Sie uns nun auf dieses experimentelle Thema zurückblicken. Die erste Herausforderung bestand darin, ein dreidimensionales Bild des Vogelschwarms und seiner Form zu erhalten und das dreidimensionale Bild durch die Kombination mehrerer nacheinander aufgenommener Fotos zu rekonstruieren. Theoretisch ist dies ganz einfach und das Problem lässt sich auf einfache Weise lösen: Wir alle wissen, dass wir, wenn wir einen dreidimensionalen Effekt sehen wollen, nur beide Augen gleichzeitig verwenden müssen. Das gleichzeitige Sehen aus zwei verschiedenen Winkeln, selbst wenn die beiden Winkel so nah beieinander liegen wie unsere Augen, ermöglicht es dem Gehirn, die Entfernung des beobachteten Objekts zu „berechnen“ und so ein dreidimensionales Bild zu konstruieren. Wer nur ein Auge nutzt, hat keine Vorstellung von der Tiefe des Bildes. Sie können dieses Gefühl leicht erleben, indem Sie ein Auge schließen und versuchen, mit einer Hand einen Gegenstand vor Ihnen zu greifen. Die Hand erscheint entweder weiter entfernt oder näher als die tatsächliche Position des Objekts. Wer beim Tennis- oder Tischtennisspiel ein Auge verbunden hat, ist zum Verlieren verurteilt. Damit das Experiment jedoch richtig funktioniert, müssen wir unterscheiden, welcher Vogel mit der linken und welcher mit der rechten Kamera fotografiert wurde. Wenn auf jedem Foto Tausende von Vögeln zu sehen sind, wird das zu einem Albtraum.

Offensichtlich ist das eine harte Nuss. In der aktuellen wissenschaftlichen Literaturrecherche zeigen einige dreidimensional rekonstruierbare Fotos höchstens 20 Tiere, die noch manuell identifiziert werden müssen. Was wir damals rekonstruieren wollten, waren Tausende von Fotos, und auf jedem Foto waren Tausende von Vögeln zu sehen. Diese Arbeit kann natürlich nicht manuell erledigt werden und ist auf die Erkennung durch Computer angewiesen.

Sich einem Problem ohne entsprechende Vorbereitung zu stellen, heißt, Ärger herbeizuführen. Wir bildeten eine Gruppe, die nicht nur Physiker umfasste – neben mir waren da noch mein Lehrer Nicola Cabibo und zwei meiner besten Schüler, Andrea Cavagna und Ilene Giardina – sondern auch zwei Ornithologen (Enrico Alleva und Claudio Carere). Im Jahr 2004 reichten wir gemeinsam mit dem verstorbenen Ökonomen Marcello de Cecco und anderen europäischen Kollegen einen Förderantrag bei der damaligen Europäischen Gemeinschaft ein. Der Antrag wurde genehmigt und das Experiment konnte endlich beginnen. Wir haben Bachelor- und Doktoranden einbezogen und mit dem Kauf von Ausrüstung begonnen.

Wir haben die Kamera auf dem Dach des Palazzo Massimo aufgestellt, einem wunderschönen Gebäude, in dem sich das Nationalmuseum von Rom befindet und das den Platz vor dem Bahnhof Termini überblickt. In diesen Jahren (die ersten Daten wurden zwischen Dezember 2005 und Februar 2006 erhoben) wurde dieser Ort von den Staren als ihr lebhaftester Schlafplatz gewählt. Wir verwendeten hochwertigere kommerzielle Kameras, da die Auflösung von Videokameras noch zu niedrig war. Zwei Kameras im Abstand von 25 Metern sorgen dafür, dass wir die relative Position zweier Stare, die Hunderte von Metern von uns entfernt sind, mit einer räumlichen Genauigkeit von etwa 10 Zentimetern erfassen können. Diese Genauigkeit reicht aus, um zwei Stare zu unterscheiden, die etwa einen Meter voneinander entfernt fliegen. Wir haben eine dritte Kamera einige Meter von einer der Kameras entfernt hinzugefügt, um uns in allen Fällen, in denen sich zwei Vögel auf einer der beiden Hauptkameras überlappten, eine grundlegende Unterstützung bei besonders schwierigen 3D-Rekonstruktionen zu bieten.

Drei Kameras machten gleichzeitig fünf Bilder pro Sekunde mit einer Genauigkeit von Millisekunden (wir mussten ein einfaches elektronisches Gerät zum Bedienen der Kameras entwickeln). Tatsächlich hatten wir an jeder Kameraposition zwei miteinander verbundene Geräte, die abwechselnd aufnehmen konnten, um die Bildfrequenz zu verdoppeln, sodass wir tatsächlich 10 Bilder pro Sekunde aufnahmen. Tatsächlich sind wir nicht viel schlechter als typische Kameras, die 25 bis 30 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Obwohl wir eine Kamera verwendeten, drehten wir eigentlich nur kleine Filme.

Ich werde alle technischen Probleme außer Acht lassen, wie etwa die saubere Anordnung der Kameras (die mit einer straff gespannten Angelschnur erreicht wurde), die Fokussierung und Kalibrierung, die schnelle Speicherung riesiger Megabyte an Informationen … Am Ende haben wir es alle geschafft, dank der Hartnäckigkeit von Andrea Cavagna, dem ich die Zügel dieser Aufgaben gerne überlassen habe, da er tatsächlich ein viel besserer Organisator ist als ich, denn es gab viele triviale Dinge, die mich abgelenkt hätten.

Natürlich müssen wir den Film nicht nur in 3D drehen, was technisch gesehen eine sehr aufwändige Aufgabe ist, sondern wir müssen auch die dreidimensionale Position wiederherstellen. Bei 3D-Filmen im Kino ist dies viel einfacher: Jedes unserer Augen sieht, was von einem Gerät erfasst wird, und unser Gehirn, das sich über Millionen von Jahren entwickelt hat, ist durchaus in der Lage, eine dreidimensionale Ansicht zu erzeugen und die Objekte, die wir im Raum sehen, zu lokalisieren. Vor einer ähnlichen Aufgabe stehen wir, wenn wir Algorithmen auf Computern verwenden, was den zweiten Teil der Herausforderung darstellt. Wir haben unser Repertoire an Fähigkeiten in den Bereichen statistische Analyse, Wahrscheinlichkeit und komplexe mathematische Algorithmen vertieft. Monatelang hatten wir Angst, keinen Erfolg zu haben, denn manchmal versucht man ein zu schwieriges Problem anzugehen und scheitert dann (was man im Voraus unmöglich wissen kann). Glücklicherweise fanden wir nach harter Arbeit und der Erfindung der notwendigen mathematischen Werkzeuge Strategien, um die Probleme Stück für Stück zu lösen, und erhielten schließlich ein Jahr nach der Aufnahme des ersten qualitativ hochwertigen Fotos das erste 3D-Rekonstruktionsbild. (Anmerkung des Herausgebers: Zu den „kritischen“ Merkmalen kollektiven Verhaltens siehe „Kritische Vogelschwärme und komplexe Systeme: Die Forschung des Nobelpreisträgers 2021 Giorgio Parisi zum kollektiven Verhalten“)

Dieser Artikel darf aus Kapitel 1 „Fliegen mit Staren“ von „Fliegen mit Staren: Wunderland komplexer Systeme“ (Xinxing Publishing House, Ausgabe August 2022) entnommen werden.

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.