Nichtlineare Dynamik und komplexe Systeme 2
Nonlinear Dynamics and Complex Systems 2

Modul PH2028

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Basisdaten

PH2028 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Biophysik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 75 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2028 ist Katharina Krischer.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

This module provides an introduction to self-organization and pattern formation in spatially extended systems. After a motivation in which the universality of the observed patterns and their unified mathematical description are elucidated, the basic mechanisms that lead to spatio-temporal self-organization are discussed. We mainly focus on reaction-diffusion systems. The phenomena considered are ordered according to their complexity. First traveling waves in one-component bistable systems are explored, then pulses and spiral waves in excitable systems are discussed. Subsequently, we study the formation of Turing structures in spatially one and two-dimensional systems. Finally, oscillatory dynamics is considered. Here we begin by looking at an ensemble of globally coupled oscillators, elucidating the so-called Kuramoto transition from incoherent behavior to synchronized oscillations in detail, and then discuss synchronization behavior of oscillatory networks in a general context. Thereafter, the complex Ginzburg-Landau equation as prototypical equation for diffusively coupled oscillatory media is introduced, and the transition to spatio-temporal chaos investigated.

Lernergebnisse

After participation in the Module the student is able to

  1. understand the basic mechanisms that lead to patterns and cooperative phenomena in dissipative systems far from the thermodynamic equilibrium
  2. explain the universal laws leading to pattern formation in reaction-diffusion systems in the bistable excitable and oscillatory regime with prototypical models
  3. explain the origin of synchronization phenomena in coupled oscillatory networks
  4. perform simulations of reaction-diffusion system and classify the observed patterns.

Voraussetzungen

Nichtlineare Dynamik und komplexe Systeme I (empfohlen aber nicht notwendig)

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VU 4 Nichtlineare Dynamik und komplexe Systeme 2 Krischer, K.
Mitwirkende: Heger, D.
Donnerstag, 10:00–12:00
sowie Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

lecture, beamer presentation, board work, exercises in individual and group work

Medienformen

practise sheets, accompanying internet site, complementary literature

Literatur

  • Lecture Script
  • A.S. Mikhailov, "Foundations of Synergetics I"
  • G. Nicolis, "Introduction of Nonlinear Science"
  • J. D. Murray "Mathematical Biology II"

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer mündlichen Prüfung wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch schriftlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 60 Minuten.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten. Eine Wiederholungsmöglichkeit wird im Folgesemester angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.