Die 4 (bzw. 5) Grundkräfte der Physik
Insgesamt 4 Grundkräfte kennt die Physik. Es besteht die Vermutung, dass es sich hierbei nur um unterschiedliche Ausprägungen ein und derselben Kraft handelt — dies zu beweisen ist bisher aber noch nicht gelungen.Zustande kommt Kraftwirkung durch Austausch virtueller Bosonen zwischen Fermionen. Das heißt: Die Wirkung der Kraft besteht darin, dass
- sie Fermionen zueinander hin zieht (so, als wären sie durch ein Gummiband miteinander verbunden)
- oder sie zueinander auf Abstand hält (so als wären sie durch eine Spiralfeder mit einander verbunden, die sich nicht beliebig weit
zusammendrücken lässt).
Da die 4 Grundkräfte durch Eichbosonen unterschiedlichen Typs transportiert sind und die Reichweite jeder Kraft der Entfernung entspricht, die so ein Boson zurücklegt, bevor es zerfällt, haben die 4 Kräfte entsprechend unterschiedliche Reichweite:
Die schwache Wechselwirkung
Ihre Reichweite beträgt maximal 1/10 des Protonen-Durchmessers (und ist damit deutlich kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns).Sie wirkt vor allem dort, wo Teilchen zerfallen oder sich umwandeln, etwa beim Betazerfall bestimmter radioaktiver Atomkerne. Genauer: Sie bewirkt die radioaktive Umwandlung von Neutronen in Protonen und ist die einzige Kraft, die auch auf Neutrinos einwirken kann.
Durch die schwache Wechselwirkung lassen sich keine gebundenen Zustände bilden, was sie von den anderen drei Wechselwirkungen unterscheidet.
Bedeutung für unseren Alltag (das Scheinen der Sonne) hat die schwache Wechselwirkung durch ihre Rolle bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in Sternen. Sie ermöglicht die Umwandlung von Protonen in Neutronen. So entsteht aus vier Protonen (den Wasserstoffkernen) über mehrere Zwischenschritte der stabile Heliumkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen. Daher bezieht die Sonne ihre Energie und wird erst aufhören zu leuchten, wenn fast alle Protonen verbraucht sind.
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Die starke Wechselwirkung
Sie ist um etwa den Faktor 1013 stärker als die schwache Wechselwirkung und ist jene Kraft, die bewirkt, dass Protonen kaum zerfallen (wenn überhaupt, dürfte ihre Halbwertszeit größer als 1032 Jahre sein).Mit anderen Worten: Die starke Wechselwirkung kettet in Nukleonen die Quarks aneinander und hat so auch zur Folge, dass sich Protonen und Neutronen zu Atomkernen verbinden.
Kleinste Portionen starker Wechselwirkung sind Bosonen, die man Gluonen nennt. Es gibt 8 verschiedene Gluonen, die zwischen den Bausteinen der Hadronen ausgetauscht werden (zwischen Quarks und auch den Gluonen selbst: Letzteres kann — so wird vermutet — zur Entstehung sog. Glueballs führen; solche nachzuweisen ist bisher aber noch nicht gelungen).
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Grob gesehen sind die Begriffe "starke Kernkraft" und "starke Wechselwirkung" synonym. Kernphysiker aber sehen da einen kleinen Unterschied erklärt im zweiten Kommentar zu dieser Antwort. Er ist wichtig, denn während die starke Kernkraft (als Restwirkung) nur kurze Reichweite haben kann, wirkt die starke Wechselwirkung unendlich weit.
Die elektromagnetische Wechselwirkung
Sie bestimmt zusammen mit der Austauschwechselwirkung den Aufbau und die Eigenschaften von Atomen, Molekülen und Festkörpern und ist verantwortlich für die meisten physikalischen Phänomene, denen wir buchstäblich auf Schritt und Tritt begegnen: Licht, Elektrizität und Magnetismus.Sie ist um etwa den Faktor 1011 stärker als die schwache Wechselwirkung.
Bosonen, die elektromagnetische Kraft vermitteln, nennt man Photonen.
Die Gravitationskraft
Sie ist die schwächste aller Kräfte und entsteht durch jedes nur denkbare Energiepotential (also keineswegs nur dort, wo sich Masse findet: Wie Einstein nachweisen konnte, ist Masse nur e i n e von mehreren Formen, in der Energie präsent sein kann.Warum Gravitation auch abstoßende Wirkung haben kann erklärt Notiz 0-252.
Bosonen, die Gravitationskraft vermitteln, nennt man Gravitonen. Bisher sagt nur Stringtheorie sie voraus.
Gravitationswellen nachzuweisen (die dann wohl solche Gravitonen darstellen), gelang erstmals im Herbst 2015.
Das Reichweiten-Gesetz
Es gibt einen klaren Zusammenhang zwischen der Reichweite der Wechselwirkung und der Ruhemasse der Bosonen, die diese Kraft bzw. Wechselwirkung vermitteln: Je größer die Ruhemasse, umso kürzer die Reichweite. Photonen etwa haben keine Ruhemasse, die elektromagnetische Wechselwirkung hat daher unbegrenzte Reichweite. Jedes Austauschteilchen einer kurzreichweitigen Kraft aber muss Ruhemasse haben.Paul Davis sagt genauer: Die Stärke der Kraft ist umgekehrt proportional zur Ruhemasse der Austauschteilchen (die Masse der Bosonen, welche die schwache Wechselwirkung zur Folge haben, ist demnach am größten).
Note: Die Ruhemasse der Gluonen scheint eine Ausnahme dieser Regel zu sein. Tatsächlich aber hat man Gluonen einfach noch nicht messen können. Gluonen sind bislang nur hypothetisch angenommene Teilchen.
Die Bedeutung dieser Kräfte für die Existenz von Leben
Wie der Astrosphysiker Paul Davies in Kapitel 7 seines Buches Der kosmische Volltreffer (2008, S. 168-194) anhand sehr eindrucksvoller Beispiele überzeugend darlegt, konnte die Evolution nur deswegen biologisches Leben schaffen, da die Stärke der 4 physikalischen Grundkräfte mit einer Genauigkeit von wenigstens 120 Größenordnungen (!) ein ganz bestimmtes Verhältnis aufweist.Die Tatsache, dass das Verhältnis in dieser schier unglaublichen Genauigkeit vorzuliegen hat, zeigt, wie extrem unwahrscheinlich es ist, dass in diesem oder jenem Blasenuniversum biologisches Leben entsteht.
Noch unwahrscheinlicher wird das Bestehen dieses Verhältnisses, wenn man sich vor Augen führt, dass
- die 4 Grundkräfte sich sehr unterschiedlich verhalten was Stärke, Reichweite und Aufsummierungsverhalten betrifft,
- obgleich die Physiker doch glauben — und teilweise ja auch schon nachweisen konnten —, dass bei hinreichend hoher Temperatur (wie sie zu Beginn des Urknalls wohl gegeben war), all diese Unterschiede verschwinden, jene 4 Kräfte also wohl nur unterschiedliche Erscheinungsformen einer einzigen Urkraft sind.
- Die Gravitationskraft ist um etwa den Faktor 1040 schwächer als die elektromagnetische, macht
sich für uns im Alltagsleben aber dennoch am deutlichsten bemerkbar, da sie in nur einer Variante vorkommt und sich deswegen die Wirkung von Gravitationsquellen aufsummiert — etwa mit dem Effekt, dass wir alle beim Versuch, hochzuspringen, nicht allzu weit kommen (sondern sofort wieder auf der Erde landen). - Ganz anders die elektromagnetische Kraft: Sie kennt zwei unterschliche wirkende Quellen: positiv und negativ geladene Teilchen. Je nachdem, ob die Kraft vom einen oder vom anderen ausgeht, wirkt zieht sie in entgegengesetzter Richtung, so dass die Wirkung unterschiedlicher Quellen der Kraft sich vorzeichenbehaftet aufsummiert (und die Summe deswegen kleiner als jeder der Summanden sein kann).
- Wenn die Unterschiedlichkeit des Verhaltens der Grundkräfte aber tatsächlich temperaturabhängig sein sollte (wenn auch nur auf extrem großer Skala), frägt man sich, warum
- die Stärke dieser beiden Kräfte in Abhängigkeit von der Entfernung, über die sie wirken, durch eine so extrem einfache Formel beschrieben wird (ihre Stärke ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung der gravitativ oder elektromagnetisch wechselwirkenden Objekte multipliziert mit je einer der Art der Kraft zugeordneten Naturkonstanten [St]),
- die Stärken der starken und schwachen Wechselwirkungen aber durch völlig andere Formeln regiert werden.
Den Higgs-Mechanismus verstehen
Noch in den 1960-er Jahren konnte man sich nicht erklären, wie sich die Größe der Ruhemasse von subatomaren Teilchen diesen oder jenen Typs begründet.Heute macht man dafür das Feld der sog. Higgs-Bosonen verantwortlich: Ein Kraftfeld, an das Elementarteilchen in Abhängigkeit ihrer Art verschieden stark "gekoppelt" sind in dem Sinne, dass Wechselwirkung mit dem Higgsfeld — die man dann als 5-te Grundkraft sehen kann — sie ausbremst. Je stärker diese Kopplung, desto größere Ruhemasse hat man ihnen zuzuschreiben (denn umso mehr Energie wird benötigt, sie auf annähernd Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen).
Teilchen, die auf diese Weise Ruhemasse bekommen sind:
- das Elektron,
- die Quarks
- die W- und Z-Bosonen (Vermittler der schwachen Kernkraft)
- und das Higgs-Boson (Vermittler der durch das Higgsfeld gegebenen Kraft).
Das Higgsfeld — so denkt man — könnte in unterschiedlichen Regionen des Weltalls unterschiedlich stark sein, was dann erklären würde, warum Stringtheorie Universen kennt, in denen die Elementarteilchen andere Masse haben als in unserer Umgebung.
Wenn also das Higgsfeld irgenwo anders z.B. doppelt so stark wäre wie bei uns, würden Elektronen, Quarks, W- und Z-Bosonen, aber auch die Higgsteilchen selbst dort doppelt so viel Ruhemasse haben. Für Protonen aber z.B. gilt das nicht, denn:
Jedes Proton ist ein Gebilde aus 3 quirligen Quarks und einer großen Menge von Gluonen, so dass seine Masse nicht nur wegen der Wechselwirkung der Quarks mit dem Higgsfeld gegeben ist, sondern zu einem noch deutlich größeren Teil kinetische und elektrische Energie darstellt. Dieser Teil würde nicht verdoppelt, wenn das Higgsfeld doppelte Stärke bekäme.
Konsequenz daraus: Die lokale Stärke des Higgsfeldes bestimmt nicht nur die Ruhemasse wichtiger Elementarteilchen, sondern darüber hinaus auch das Verhältnis der Masse des Elektrons zur Masse des Protons (und der der Nukleonen, Baryonen und Mesonen überhaupt).
Abänderung dieses Verhältnisses aber würde Kernreaktionen im frühen Universum und im Inneren von Sternen anders ablaufen lassen als in unserem Universum. Die in unserer kosmischen Umgebung lebensförderne Feinabstimmung, die notwendig ist, damit es zum Entstehen biologischen Lebens kommen kann, wäre — z.B. aus diesem Grund — dort dann nicht gegeben.
Quelle: Paul Davies: Der kosmische Volltreffer (2008), S. 200-202.
stw5519WKR — Wechselwirkung . Kraft . Ruhemasse — News?
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Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen
Wahrscheinlich aus einer einzigen Urkraft entstanden