- Die vier Fundamentalkräfte der Physik
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Die Grundkräfte der Physik sind die Kräfte, die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen. Die Physik kennt vier Grundkräfte:
- die starke Wechselwirkung,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung,
- die Gravitation.
Versuche, das Wirken einer fünften Kraft nachzuweisen, sind bisher misslungen.
Im Rahmen der klassischen Physik wurden die Kraftgesetze für die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung als vielfach bestätigte, allgemeine Naturgesetze (Axiome) betrachtet. In der Quantenfeldtheorie dagegen werden alle vier Kräfte auf den Austausch von virtuellen Bosonen zurückgeführt. Dies gelingt für die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung (Standardmodell), eine konsistente Quantenfeldtheorie der Gravitation (Quantengravitation) existiert hingegen noch nicht.
Die Stärken dieser vier Grundkräfte nähern sich mit zunehmender kinetischer Energie der Teilchen, zwischen denen sie wirken, einander an. Man geht davon aus, dass alle vier Grundkräfte bei den extrem hohen Energien, wie sie unmittelbar nach dem Urknall vorherrschten, gleich stark waren.
Inhaltsverzeichnis
Starke Wechselwirkung
- bindet alle Hadronen (Baryonen und Mesonen, also die aus Quarks aufgebauten Teilchen) aneinander und ist indirekt verantwortlich für den Zusammenhalt der Atomkerne (die Kernkraft stellt nur eine Restwechselwirkung der eigentlichen starken Kraft dar, äquivalent zur Van-der-Waals-Wechselwirkung in Molekülen)
- sehr kurze Reichweite von 2,5·10−15 m, da die zugehörige Farbladung auf größere Distanzen nicht „nackt“ auftritt (siehe Confinement)
- stärkste aller bekannten Wechselwirkungen
- Austauschteilchen sind die Gluonen
Elektromagnetische Wechselwirkung
- verantwortlich für die meisten alltäglichen Phänomene (Licht, Elektrizität und Magnetismus, Chemie, Festkörpereigenschaften, …)
- unendliche Reichweite (allerdings kompensieren sich üblicherweise positive und negative Ladungen recht exakt)
- kann anziehend oder abstoßend wirken, je nach Vorzeichen der beteiligten Ladungen
- im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10−2-mal (ein hundertstel) so stark
- Austauschteilchen ist das Photon
Schwache Wechselwirkung
- verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse (z. B. Betazerfall), aber auch wichtig beim Kernfusionsprozess in der Sonne
- sehr kurze Reichweite von 10−18 m aufgrund massiver Austauschteilchen
- im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10−13-mal (ein zehnbillionstel) so stark
- Austauschteilchen sind die Bosonen Z0, W+ und W−
Gravitation
- dominiert die großräumigen Strukturen des Universums, da nicht abschirmbar (wirkt immer anziehend)
- unendliche Reichweite
- schwächste aller Wechselwirkungen, im Vergleich zur starken Wechselwirkung nur 10−38-mal so stark
- postuliertes, bislang nicht nachgewiesenes Austauschteilchen ist das Graviton
- postulierte Wirkung durch alle 10 in der Stringtheorie postulierten, bislang nicht nachgewiesenen, Raumdimensionen
Die Grundkräfte tabellarisch
Nach der relativen Stärke sortiert:
Grundkraft Austauschteilchen Masse
(GeV/c2)relative
StärkeReichweite
(m)Abstands-
wirkung (Kraft)Potentialverlauf Starke Gluonen 0 1 2,5·10−15 1/r7 αr-1 + βr Elektromagnetische Photon 0 10−2 [A 1] ∞ 1/r2 1/r Schwache W+, W−, Z0 80, 80, 91 10−13 10−18 1/r5 bis 1/r7 δ(r) Gravitation Graviton? (postuliert) 0 10−38 ∞ 1/r2 1/r - ↑ Siehe dazu Feinstrukturkonstante
Vereinheitlichende Theorien
Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte oder Wechselwirkungen in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Damit könnte es möglich sein, alle bekannten Kräfte auf eine einzige Grundkraft zurückzuführen. Man spricht hier von vereinheitlichten Theorien. Die Theorie, die alle vier bekannten Grundkräfte berücksichtigt, wird die Weltformel oder Theory of Everything (TOE) genannt.
Als große vereinheitlichte Theorie oder Grand Unification Theory (GUT) bezeichnet man eine Theorie, die drei der vier bekannten physikalischen Grundkräfte vereinigen würde, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung.
Beispielsweise ist die elektromagnetische Wechselwirkung eine Vereinheitlichung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung. Ebenso ist es gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht zu beschreiben. Es handelt sich daher nach dem gegenwärtigen Stand unseres Wissens streng genommen nur um drei verschiedene und voneinander unabhängige Grundkräfte.
Die folgende Tabelle beschreibt dieses Verhältnis verschiedener Grundkräfte zueinander und die den Grundkräften zugeordnete Theorienhierarchie der Physik:
Siehe auch
Weblinks
- Die 4 Wechselwirkungen (Grundkräfte), gut erklärt
- Gravitation, Elektromagnetische-, starke und schwache Wechselwirkung: Grundlagen, Eigenschaften, Vermittlungsprozesse
Die vier Grundkräfte der Physik
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