Grundkräfte der Physik


Grundkräfte der Physik

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Die Grundkräfte der Physik oder fundamentalen Wechselwirkungen sind diejenigen Kräfte, die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen. Die Physik kennt heute vier dieser Grundkräfte:

In der klassischen Physik betrachtete man die Kraftgesetze für die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung als vielfach bestätigte, allgemeine Naturgesetze.

Hinzu kamen im 20. Jahrhundert die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung, nachdem die Radioaktivität und die Atomkerne entdeckt waren.

In den Quantenfeldtheorien werden Grundkräfte auf den Austausch virtueller Eichbosonen zurückgeführt. Solche Theorien gibt es für die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen, die auch zum Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst werden. Eine konsistente Quantenfeldtheorie der Gravitation existiert hingegen noch nicht.

Die vier Grundkräfte

Gravitation

Hauptartikel: Gravitation

Die Gravitation ist die zuerst entdeckte Naturkraft und wurde bereits im 17. Jahrhundert von Isaac Newton mathematisch beschrieben. Sie beeinflusst unsere allgegenwärtige Physik merklich und dominiert die großräumigen Strukturen des Universums. Sie besitzt eine unendliche Reichweite, da sie nicht abschirmbar ist und immer anziehend wirkt. Die Gravitationskraft erzeugt die Gewichtskraft und hat somit großen Einfluss auf Mensch und Natur. Sie ist auch die vorherrschende Wechselwirkung zwischen den Planeten und der Sonne und somit die Ursache für die Gestalt des Sonnensystems.

Die klassische Gravitationstheorie ist die Allgemeine Relativitätstheorie als Weiterentwicklung des newtonschen Gravitationsgesetzes. Eine zugehörige Quantenfeldtheorie wurde bisher noch nicht gefunden.

Elektromagnetische Wechselwirkung

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist neben der Gravitation die zweite Kraft, die vom Menschen bewusst wahrgenommen werden kann. Sie ist beispielsweise verantwortlich für die meisten alltäglichen Phänomene wie Licht, Elektrizität und Magnetismus, Chemie und unterschiedlichste Festkörpereigenschaften. Auch sie besitzt – analog zur Gravitation – eine unendliche Reichweite, kann jedoch im Gegensatz zudem auch abgeschirmt oder gar eliminiert werden (positive und negative Ladungen kompensieren sich üblicherweise recht exakt). Die elektromagnetische Kraft kann je nach Vorzeichen der beteiligten Ladungen anziehend oder abstoßend wirken und wird klassisch durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben. Das Austauschteilchen der Quantenelektrodynamik ist das Photon.

Schwache Kernkraft

Hauptartikel: Schwache Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung ist verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse, wie beispielsweise beim Betazerfall. Aber auch bei der stellaren Kernfusion spielt sie eine wichtige Rolle, wie beispielsweise beim Wasserstoffbrennen in der Sonne. Aufgrund massiver Austauschteilchen (Z0, W+ und W) besitzt sie eine sehr kurze Reichweite von weniger als 10−15 m.

Die Theorie der schwachen Kernkraft sagt nach aktuellen Theorien das sogenannte Higgs-Boson voraus. Am 4. Juli 2012 wurde während eines Seminars am LHC des CERN ein möglicher erster experimenteller Nachweis des Higgs-Teilchens bekannt gegeben. [1][2][3]

Starke Kernkraft

Hauptartikel: Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung bindet die Quarks aneinander und bewirkt damit den Zusammenhalt der Hadronen (z. B. dem Proton) und indirekt der Atomkerne. Auf fundamentaler Ebene wird sie als Wechselwirkung zwischen den Quarks durch Gluonen als Austauschteilchen durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Für kleine Distanzen bzw. hohe Energien weist die QCD nur eine geringe Kopplungsstärke auf, was auch als Asymptotische Freiheit bezeichnet wird. Für größer werdende Abstände wächst die Kopplungsstärke an. Das führt dazu, dass die Farbladungen abgeschirmt werden und nur farbneutrale Hadronen existieren. Die genauen Mechanismen dieses als Confinement bekannten Phänomens sind Gegenstand aktueller Forschung.

In der Kernphysik wird die starke Kernkraft durch eine effektive Wechselwirkung zwischen den Nukleonen im Atomkern beschrieben, deren anziehender Teil durch den Austausch von Pionen in Form einer Yukawa-Wechselwirkung beschrieben wird und die auf kürzere Abstände abstoßend wirkt.

Die starke Kernkraft hat eine sehr kurze Reichweite von 2,5·10−15 m, was mit der Wechselwirkung der Gluonen untereinander und mit dem Confinement-Phänomen in Verbindung gebracht wird. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass sie durch eine effektive Wechselwirkung in Yukawa-Form mit massiven Pionen beschrieben werden kann.

Tabellarische Auflistung

Grundkraft Austauschteilchen Masse
(GeV/c2)
relative
Stärke[4]
Reichweite
(m)[4]
Ladung
Gravitation Graviton? (postuliert) 0 10−41 Masse
Elektromagnetische Kraft Photon 0 10−2 Elektrische Ladung
Schwache Kernkraft W+ 80 10−15 < 10−15 Schwacher Isospin
W 80
Z0 91
Starke Kernkraft Gluon 0 1 ≈ 10−15 Farbladung

Hinweis: Die typische relative Stärke ist (außer bei der Gravitation) so angegeben, wie sie bei Experimenten an Teilchenbeschleunigern gemessen werden.

Hypothetische weitere Kräfte

Obwohl bisher noch keine Nachweise geliefert werden konnten, wird in der theoretischen Physik vielfach über weitere mögliche Kräfte spekuliert. Darunter fallen beispielsweise Technicolor-Theorien, sowie teilweise supersymmetrische oder Stringtheorien. Neue makroskopische Kräfte werden gelegentlich unter dem Begriff „Fünfte Kraft“ zusammengefasst. Alle diese Kräfte stellen Erweiterungen des Standard-Modells der Elementarteilchenphysik dar.

Vereinheitlichende Theorien

Kopplungskonstanten $ \alpha $ der Grundkräfte (s: starke, w: schwache, em: elektromagnetische Wechselwirkung, g: Gravitation) als Funktion der Energie $ E $

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. Eine Theorie, die alle vier bekannten Grundkräfte berücksichtigt, wird manchmal Weltformel oder Theory of Everything (TOE) genannt. Ein zentraler Bestandteil dieser Theorien ist die Annäherung aller Kopplungskonstanten mit der Erhöhung der Energie auf einen gemeinsamen Wert. Aktuelle Theorien sagen eine Vereinheitlichung bei einer Energie von etwa 1016  GeV voraus.

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.

Das heute gültige Standardmodell ist eine Theorie, welche die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung in Form einer Eichtheorie vereinigt.

Als große vereinheitlichte Theorie oder Grand Unification Theory (GUT) bezeichnet man eine Theorie, welche wie viele Stringtheorien sowohl eine Quantentheorie der Gravitation darstellen als auch alle vier Grundkräfte vereinen will. Solche Theorien sind aussichtsreiche Kandidaten für eine Weltformel.

Die folgende Tabelle beschreibt dieses Verhältnis verschiedener Grundkräfte zueinander und die den Grundkräften zugeordnete Theorienhierarchie der Physik:

Starke
Wechselwirkung
Elektrostatik Magnetostatik Schwache
Wechselwirkung
Gravitation
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Newton-Gravitation
Quantenchromodynamik Quantenelektrodynamik Allgemeine
Relativitätstheorie
Elektroschwache Wechselwirkung Quantengravitation
Standardmodell
Große vereinheitlichte Theorie: Stringtheorie oder andere Weltformeln

Literatur

Es gibt wohl wenige Bücher, die alle vier Grundkräfte gleich behandeln. Eine kurze Einführung findet sich jedoch z. B. in

  • Gerthsen Physik. 23. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-540-25421-8 (mit CD-ROM)

Die drei Theorien des Standardmodells der Elementarteilchen werden in den meisten einführenden Büchern zur Elementarteilchenphysik behandelt, z. B. in

  • Klaus Bethge, Ulrich E. Schröder: Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen – eine Übersicht. WILEY-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-40587-9
  • Harald Fritzsch: Elementarteilchen. Bausteine der Materie. Beck, München 2004, ISBN 3-406-50846-4
  • David Griffiths: Introduction to Elementary particles. WILEY-VCH, Weinhein 2008, ISBN 978-3-527-40601-2

Einführende Bücher zur Gravitation sind z. B.

und zur Suche nach einer Theorie der Quantengravitation

Weblinks

Einzelnachweise

  1. tagesschau.de
  2. spiegel.de 2011: Forscher nähern sich dem Teilchen Gottes
  3. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson. Pressemitteilung von CERN (4. Juli 2012). Abgerufen am 4. Juli 2012.
  4. 4,0 4,1  Greiner, W. und Müller, B.: "Gauge Theory of Weak Interaction (Band 13)". Springer, 2000, S. 2.