Interessantes zu Theoretischer Physik

Grundkräfte, Eichbosonen

Die 4 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 von Bosonen zwischen Fermionen. Das heißt: Die Wirkung der Kraft besteht darin, dass 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.


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 Hier Beispiele solcher Merkwürdigkeiten:
Wissenswertes zu "Eichbosonen, Grundkräfte" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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