Einführung: Die 4 Grundkräfte der Physik

Wer wissen will, was die Welt im Innersten zusammenhält, der muss sich die 4 Grundkräfte der Physik anschauen. Sie sind dafür verantwortlich, dass sich bestimmte Teilchen untereinander anziehen, abstoßen oder auf eine andere Weise wechselwirken können. Aus dem Alltag sind uns zwei dieser vier Kräfte wohlvertraut: Es ist die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung. Mit den anderen beiden Grundkräften haben wir im normalen Leben weniger zu tun, da sie sich praktisch nur im Innern von Atomkernen bzw. auf extrem kurzen Distanzen abspielen: Die starke Wechselwirkung sorgt unter anderem für den Zusammenhalt der Protonen im Atomkern. Die schwache Wechselwirkung ist für Teilchenzerfälle verantwortlich, was beispielsweise die Radioaktivität bestimmter Elemente zur Folge hat. Jede dieser vier Kräfte hat bestimmte Eigenschaften und ein Modell zur theoretischen Beschreibung ihrer Wirkungsweise. Schauen wir uns diese vier Kandidaten mal etwas genauer an...

1. Die starke Wechselwirkung

1.1 Auswirkungen und Eigenschaften

Eigentlich müssten sich die Protonen in Atomkernen voneinander abstoßen, da sie alle eine positive Ladung tragen. Im Grunde machen sie das auch, aber eine andere, sehr viel stärkere Kraft wirkt dieser Abstoßung entgegen: Es ist die starke Wechselwirkung (auch starke Kernkraft genannt), die dafür sorgt, dass Nukleonen (Protonen und Neutronen) sich gegenseitig anziehen und somit also die Atomkerne zusammengehalten werden. Die starke Kernkraft hat die seltsame Eigenschaft, mit wachsendem Abstand immer stärker zu werden, wobei diese Stärke einem festen Wert zustrebt. Das führt unter anderem dazu, dass man Quarks nie einzeln vorfindet. Die theoretische Grundlage zur Beschreibung der starken Wechselwirkung bildet die Quantenchromodynamik, die die Übertragung der starken Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen beschreibt. Die Gluonen sind also die Bosonen (oder eben die Austauschteilchen) der starken Wechselwirkung, und wurden 1979 am Hamburger Forschungszentrum DESY mit Hilfe eines 2,3 km langen Teilchenbeschleunigers nachgewiesen.

 
starke_wechselwirkung
Die starke Wechselwirkung sorgt unter anderem für den Zusammenhalt der Atomkerne. Sie wirkt vor allem zwischen den Quarks, aus denen beispielsweise Protonen und Neutronen aufgebaut sind. Quarks kommen nie einzeln vor. Das liegt daran, dass aus der Energie, die man aufwenden müsste, um etwa ein Proton in seine Bestandteile zu zerlegen, neue Quark-Antiquark Paare erzeugt werden. Diese verbinden sich dann sofort wieder mit den ursprünglichen Quarks zu neuen Systemen, was eine Trennung im Endeffekt unmöglich macht. Dieser Effekt beruht auf den Eigenschaften der starken Wechselwirkung.

1.2 Starke Wechselwirkung: Von Gluonen, Quarks und Farbladungen

Genauer betrachtet wirkt die starke Kernkraft zwischen allen Teilchen, die eine sogenannte Farbladung tragen, also den Quarks. Vermittelt wird die starke Wechselwirkung über Gluonen, die selbst auch eine Farbladung tragen, was dazu führt, dass Gluonen auch untereinander wechselwirken können. Diese Farbladung hat jedoch nichts mit einer herkömmlichen Farbe zu tun. Man hat dieses Konzept nur deshalb eingeführt, weil sich dadurch gut beschreiben lässt, auf welche Art und Weise sich Quarks untereinander zusammenschließen. So gibt es 3 verschiedene Farbladungen: Rot, Grün und Blau, sowie 3 Anti-Farbladungen: Anti-Rot, Anti-Grün und Anti-Blau. Jedes Quark trägt eine dieser Ladungen, und Zusammenschlüsse aus verschiedenen Quarks sind nur möglich, wenn die Überlagerung der einzelnen Farbwerte weiß ergibt. Das ist zum Beispiel bei Protonen oder Neutronen der Fall, die aus je 3 Quarks mit unterschiedlicher Farbladung bestehen. Auch eine Verbindung aus einem Quark und einem Anti-Quark ist möglich, da eine Kombination aus Farbe und Anti-Farbe ebenfalls weiß ergeben kann. Stabile Systeme aus Quarkverbindungen, wie etwa ein Proton oder ein Neutron, sind nach außen hin farbneutral. Doch wenn man zwei solcher vermeintlich neutralen Systeme nahe genug zusammenbringt, treten sie dennoch in Wechselwirkung. Genau das passiert im Atomkern: Neutronen und Protonen sind so dicht beieinander, dass sie über die starke Wechselwirkung in Verbindung treten und sich gegenseitig anziehen.

2. Die schwache Wechselwirkung

2.1 Auswirkungen und Eigenschaften

Ein bekannter Prozess, der auf der schwachen Wechselwirkung beruht, ist der radioaktive Zerfall von Atomkernen. Dabei werden einzelne Bestandteile des Atomkerns, die Quarks, in andere Quarks umgewandelt. Durch diesen Prozess entstehen zusätzliche Teilchen: Neutrinos und Elektronen, als Nebenprodukte sozusagen. Diese Nebenprodukte verlassen dann den Atomkern und verkörpern eine Form von radioaktiver Strahlung, die sogenannte Beta-Strahlung. Allgemein kann man sagen, dass die schwache Wechselwirkung hauptsächlich für solche und andere Umwandlungs- bzw. Zerfallsprozesse verantwortlich ist. Im Gegensatz zu den anderen 3 Grundkräften gibt es keine bekannten Systeme, die durch die schwache Wechselwirkung zusammengehalten werden. Übertragen wird die schwache Wechselwirkung durch 3 Typen von Austauschteilchen: Das positiv geladene W+ Boson, das negative W- Boson und das neutrale Z° Boson. Da diese Bosonen alle eine Masse haben, und zudem noch eine relativ große, ist die Reichweite der schwachen Wechselwirkung extrem gering, weit kürzer als der Durchmesser eines Atomkerns. Damit gehört sie zusammen mit der starken Wechselwirkung zu den kurzreichweitigen Kräften, wohingegen die Gravitation und die elektromagnetische Kraft eine unendliche Reichweite besitzen.

 
schwache_wechselwirkung
Die schwache Wechselwirkung ist dafür verantwortlich, dass sich Teilchen in andere Teilchen umwandeln können, was unter anderem die Radioaktivität bestimmter Elemente nach sich zieht. In der Grafik sieht man ein Neutron, bestehend aus einem Up-Quark (orange dargestellt) und zwei Down-Quarks (schwarz), sowie ein Proton, bestehend aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Aufgrund der schwachen Wechselwirkung kann sich ein Down-Quark des Neutrons in ein Up-Quark umwandeln, wodurch aus dem Neutron ein Proton wird. Während diesem Prozess werden noch zwei weitere Teilchen erzeugt: Ein Elektron (blau dargestellt) und ein Anti Elektron-Neutrino (grün), die den Atomkern verlassen, da sie nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Die Grafik zeigt also den Beta-Zerfall; und die emittierten Elektronen sind das, was als Beta-Strahlung bezeichnet wird. Daneben gibt es noch die radioaktive Alphastrahlung, deren Entstehung jedoch nicht auf der schwachen Kernkraft beruht. Gammastrahlung besteht aus energiereichen Photonen, und ist im Wesentlichen eine Folgeerscheinung des Alpha- und Betazerfalls.

2.2 Schwache Wechselwirkung: Erlaubte, verbotene und seltsame Prozesse

Der schwachen Wechselwirkung unterliegen neben dem oben erwähnten Beta-Zerfall noch viele weitere Umwandlungs- und Zerfallsprozesse. So unterliegen alle Quarks (es gibt 6 Quarks und 6 Antiquarks), sowie alle Leptonen (z.B. Elektronen, Neutrinos) diesen identitätsverändernden Abläufen. Dabei ist zu erwähnen, dass zwar Quarks in Quarks, und Leptonen in Leptonen umgewandelt werden können, jedoch ist es der schwachen Wechselwirkung nicht möglich, Leptonen in Quarks zu überführen oder umgekehrt. Das ist auch der Grund, weshalb man keinen Protonenzerfall beobachtet: Denn dazu müsste genau eine solche Umwandlung eines Quarks in ein Lepton ablaufen. Es gibt jedoch keine (uns bekannte) Kraft, die diesen Prozess ermöglicht. Eine Besonderheit der schwachen Wechselwirkung ist die Paritätsverletzung. Unter der Parität versteht man eine Symmetrieeigenschaft, die etwas mit der Umkehrung von Raumkoordinaten zu tun hat. Normalerweise dürften sich physikalische Abläufe vom Prinzip her nicht verändern, wenn man alle Raumkoordinaten umkehrt. Vorgänge, die mit der schwachen Wechselwirkung in Verbindung stehen, tun dies jedoch. Diese Tatsache hat die Fachwelt im Jahre 1956 regelrecht vom Stuhl gehauen, da man bis dahin angenommen hatte, dass die Naturgesetze sich bei der Inversion der Raumkoordinaten nicht verändern. In diesem Jahr jedoch wurde die Paritätsverletzung im sogenannten Wu-Experiment nachgewiesen.

3. Die elektromagnetische Wechselwirkung

3.1 Auswirkungen und Eigenschaften

Nun kommen wir zu einer Kraft, unter der wir uns ein bisschen mehr vorstellen können: Die elektromagnetische Wechselwirkung. Im Gegensatz zur starken und schwachen Kernkraft begegnen wir dieser Wechselwirkung praktisch überall im Alltagsleben. Anfang des 19. Jahrhunderts hielt man die Elektrizität und den Magnetismus noch für zwei völlig unterschiedliche Phänomene. Mitte des 19. Jahrhunderts hat man dann jedoch erkannt, dass diese zwei Kandidaten sich in einer gemeinsamen Theorie vereinigen lassen: Der Elektromagnetismus ist eine vereinheitlichte Beschreibung elektrischer und magnetischer Felder, die in vielen Vorgängen zusammen auftauchen und dann in direkter Wechselwirkung stehen. Theoretische Grundlage bilden dabei die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik, die die Zusammenhänge zwischen den beiden Feldern in physikalische Formeln fassen. Beispielsweise erzeugen bewegte elektrische Ladungen Magnetfelder, und sich zeitlich verändernde Magnetfelder erzeugen elektrische Gegenfelder. Ein Unterschied zwischen den beiden Feldern: Elektrische Ladungsträger können einzeln vorkommen, magnetische Systeme beinhalten dagegen immer den Nord- sowie auch den Südpol.

 
elektromagnetische_wechselwirkung
Eine Spule als Versinnbildlichung des Elektromagnetismus: Fließt ein elektrischer Strom durch einen Leiter, baut sich um ihn herum ein Magnetfeld auf. Elektrische und magnetische Felder stehen in vielen Vorgängen in Natur und Technik in direktem Zusammenhang, an anderer Stelle können die Felder auch einzeln auftreten. Beispiele: Moleküle halten aufgrund elektrischer Anziehung zusammen, ebenso Moleküle untereinander, wodurch letztendlich auch komplexe Lebewesen zusammengehalten werden. Die Erzeugung, Übertragung und Verwendung von Strom beruht ebenfalls auf dem Elektromagnetismus. Auch die Kompassnadel und der Transrapid würden sich ohne diese Kraft keinen Millimeter von der Stelle bewegen.

3.2 Elektromagnetische Wechselwirkung: Der Übertragungsprozess duch virtuelle Photonen

Eine noch genauere Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkung liefert die Quantenelektrodynamik, welche die Elektrodynamik mit der Quantenmechanik vereinheitlicht. Die Quantenelektrodynamik ist die am genauesten experimentell überprüfte Theorie in der Physik. Übertragen wird die elektromagnetische Wechselwirkung durch virtuelle Photonen. Ein Beispiel: Bewegen sich zwei Elektronen aufeinander zu, werden sie sich aufgrund ihrer gleichnamigen Ladung wieder abstoßen. Dies geschieht durch den Austausch eines virtuellen Photons, welches für den Impulsübertrag sorgt. Dadurch, dass Photonen keine Ruhemasse besitzen, hat die elektromagnetische Wechselwirkung eine unendliche Reichweite. Moment mal, virtuelles Photon? Was ist das denn? Unter virtuellen Teilchen versteht solche Teilchen, die auftauchen, obwohl klassisch gesehen nicht genügend Energie für deren Erzeugung zur Verfügung steht. Doch aufgrund der Energie-Zeit-Unschärferelation ist es möglich, für eine bestimmte Zeit Energie aus dem Vakuum zu „borgen“, sofern sie rechtzeitig wieder zurückgegeben wird. Dabei gilt: Je größer die Energie, desto kürzer ist die erlaubte Ausborgzeit. Das ist übrigens auch der Grund, weshalb die schwache Wechselwirkung so kurzreichweitig ist: Ihre Bosonen, die geladenen W's und das neutrale Z-Boson, haben relativ große Massen. Der Austausch der schwachen Wechselwirkung erfolgt ebenfalls „nur“ über virtuelle W's und Z's. Da die Energiemengen, die diese Bosonen sich für ihre eigene Erzeugung aus dem Vakuum borgen müssen, relativ groß sind, ist die erlaubte Ausborgzeit laut Energie-Zeit-Unschärferelation extrem kurz. Mit anderen Worten: Virtuelle W und Z Bosonen existieren nur für eine extrem kurze Zeit. Dadurch wirkt die schwache Wechselwirkung nur soweit, wie die Strecke, die ihre Bosonen in ihrer kurzen Lebenszeit zurücklegen können. Und das sind ungefähr 0,000000000000000001 Meter.

4. Die Gravitation

4.1 Auswirkungen und Eigenschaften

Die Gravitationskraft bewirkt die gegenseitige Anziehung von Massen. So werden durch sie die Planeten auf ihren Bahnen, und wir auf dem Erdboden gehalten. Die Gravitationskraft ist mit Abstand die schwächste der 4 Grundkräfte, auch wenn wir meinen, diese Kraft am stärksten zu spüren. Das liegt jedoch nur daran, dass die Erde eine relativ große Masse hat. Um zu zeigen, wie schwach die Gravitation wirklich ist, stelle man sich einen kleinen Elektromagneten vor. Bewegt man diesen in einem bestimmten Abstand über einen lose am Boden liegenden, magnetischen Gegenstand, wird dieser einen Satz nach oben machen und am Magneten haften bleiben. Diese kleine Menge an elektromagnetischer Wechselwirkung genügt also schon aus, um die Gravitationskraft der kompletten Erde zu überwinden. Beschrieben wird die Gravitation heute durch Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, bei deren Entwicklung er eine entscheidende Annahme gemacht hat: Die Auswirkungen der Gravitation auf ein Objekt sind äquivalent zu den Auswirkungen einer Beschleunigung dieses Objekts. Damit konnte die so schwer in Formeln zu fassende Gravitation mit dem Prozess einer Beschleunigung verglichen werden, wodurch die Beschreibung der Gravitation deutlich vereinfacht wurde.

 
gravitation
Die Gravitationskraft bringt Massen dazu, sich gegenseitig anzuziehen. So bewegen sich Planeten um Sterne, Ringe um Planeten, und der Mond sich um die Erde. Auch Äpfel fallen ihretwegen nie nach oben, sondern landen immer schön brav unten auf dem Erdboden. Oder auf den Köpfen von bedeutenden Physikern, die sitzend unter Apfelbäumen über den Aufbau der Welt nachdenken. Wie auch immer, heute wird das Wesen der Gravitation durch Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Bei der Entwicklung dieser Theorie gelang Einstein ein Geniestreich, indem er erkannte, dass Beschleunigung und Gravitation zueinander äquivalent sind.

4.2 Gravitation: Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitonen

Historisch gesehen gab es viele Versuche, die Planetenbahnen und die Bewegung anderer Himmelskörper bezüglich der Gravitation in Formeln zu fassen. Somit erklärten diese Theorien zwar (mehr oder weniger genau) die Auswirkungen der Gravitation, jedoch nicht die Gravitation an sich. Erst Albert Einstein ging diesen Schritt, 1915, mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Darin sieht er Raum und Zeit nicht mehr als starre, unveränderliche Gebilde an, wie das Isaac Newton noch getan hat, sondern vereint diese beiden Systeme zu einer 4-dimensionalen Raumzeit, deren geometrische Struktur sich dort verändert, wo sich Massen (oder Energien, siehe E=mc²) befinden. Laut allgemeiner Relativitätstheorie ist Gravitation also nichts anderes, als eine Krümmung der Raumzeit. Objekte, die sich von einem Punkt in der Raumzeit zu einem anderen bewegen, wollen das immer auf der kürzest möglichen Verbindung tun. Ist der Raum nicht gekrümmt, ist dieser Weg einer Gerade. Bewegt sich das Objekt nahe einer großen Masse, wie etwa einem Stern, ist dieser Weg eine Geodäte, da die Masse des Sterns die Raumzeit krümmt. Eine Geodäte ist die kürzeste Verbindung zweier Punkte im (gekrümmten) Raum. Der Verlauf eines Objekts entlang einer solchen Geodäte ist dann das, was wir als Massenanziehung wahrnehmen. Die Gravitationskraft unterscheidet sich vom Übertragungsmodell her also deutlich von den 3 anderen Grundkräften, die ja nicht geometrisch, sondern durch Austauschteilchen (ganz genau: durch Eichbosonen) vermittelt werden. Zwar sieht das Standardmodell der Teilchenphysik auch für die Gravitation ein solches Eichboson vor, das Graviton, jedoch konnte dieses vermutete Teilchen bisher noch nicht nachgewiesen werden. Es ist außerordentlich schwierig, die Gravitation in andere Theorien mit einzubeziehen. So ist es bis heute nicht gelungen, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu vereinigen. Einen Ansatz dazu bietet jedoch die sogenannte M-Theorie, die eine Verallgemeinerung der Stringtheorie darstellt.

 

5.1 Eigenschaften der 4 Grundkräfte

Interessanterweise sind die Kräfte und Naturkonstanten unseres Universums extrem genau aufeinander abgestimmt. Mit anderen Worten: Würde man hier und da ein klein wenig an der Stärke einer Kraft, oder den Werten bestimmter Naturkonstanten drehen, würden alle uns bekannten Vorgänge im Universum im kompletten Chaos zusammenbrechen. Ein Beispiel: Wäre die starke Kernkraft auch nur um 2 Prozent stärker, würde sie eine Aufgabe der schwachen Kernkraft übernehmen dafür sorgen, dass sich im Innern der Sonne Protonen und Neutronen zu Heliumkernen formen. Da die starke Kernkraft aber sehr viel stärker ist als die schwache, würde dieser Prozess deutlich schneller ablaufen: Sterne würden ihren Wasserstoffvorrat dann innerhalb kürzester Zeit aufbrauchen, und danach erlöschen. Leben auf einem den Stern umkreisenden Planeten hätte in dieser kurzen Zeit nicht die Chance, auch nur auf die Idee zu kommen, sich zu entwickeln. Und all das wegen 2 Prozent... Änderungen anderer Werte ergeben übrigens ähnlich apokalyptische Zustände.

 
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Verschiedene Eigenschaften der 4 Grundkräfte im Überblick. Was vielleicht zuerst auffällt, sind die extremen Unterschiede in der Stärke der einzelnen Kräfte. Es wird jedoch vermutet, dass sich alle Kräfte auf eine gemeinsame Urkraft zurückführen lassen, wenn man sie auf extrem kurzen Distanzen beobachtet. Einfacher gesagt: Je kleiner die Skala wird, auf der man diese Kräfte betrachtet, desto mehr nähern sich ihre Stärken an. Die Vereinheitlichung der Grundkräfte (ohne Gravitation) wird als Grand Unified Theory (GUT) bezeichnet.

5.2 Vereinheitlichte Theorien

Ein großes Bestreben der heutigen Physik ist es, die 4 Grundkräfte zu einer einzigen Urkraft zu vereinigen. Erste Schritte dazu wurden bereits gemacht: Die elektromagnetische Wechselwirkung ist die Vereinheitlichung von Elektrizität und Magnetismus. Diese wurde wiederum mit einer anderen Grundkraft kombiniert: Die elektroschwache Wechselwirkung verbindet die schwache Kernkraft mit dem Elektromagnetismus. Das Modell der elektroschwachen Wechselwirkung wurde von Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg entwickelt, und wird als Quantenflavourdynamik (QFD) bezeichnet. Der nächste Schritt besteht nun darin, die starke Kernkraft noch mit in dieses Modell einzubeziehen, also eine Kombination aus QFD und QCD herzustellen. Gelänge dies, hätte man es geschafft, die sogenannte Grand Unified Theory (GUT) zu entwickeln, welche dann also die schwache, die starke und die elektromagnetische Wechselwirkung unter einen Hut bringt. Fehlt nur noch die Gravitation, die in der Physik immer irgendwie aus der Reihe tanzen muss. Um die Gravitation noch mit in diese Modelle einzubeziehen, muss die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereint werden, was wohl das größte Unterfangen in der modernen Physik darstellt. Sollte dies eines Tages gelingen, hätten wir die 4 Grundkräfte auf eine gemeinsame Ursache zurückgeführt, und wir hätten sie letztendlich gefunden, die legendäre Weltformel.

 
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