Was die Welt zusammenhält: Fundamentale Kräfte

Titelbild: ESA/ Hubble CC BY 4.0 

Was eine Kraft ist, habe ich in der Vergangenheit ja bereits erklärt, einfach gesagt, ist es die physikalische Größe, die die Veränderung des Bewegungszustands eines Objekts beschreibt. Wenn also etwas z.B. schneller wird, dann braucht es dafür eine Kraft. Kräfte äußern sich auf verschiedene Arten und Weisen, z.B. Schubkräfte, wie sie in der Raumfahrt benötigt werden, um die Flugbahn eines Raumfahrzeugs beeinflussen zu können. Oder aber auch die Zentrifugalkraft, wie man sie spürt, wenn man schnell durch eine Kurve fährt und dabei nach außen gedrückt wird.

Nach unserem Verständnis des Kosmos, gibt es aktuell vier Grundkräfte in der Physik, im englischen auch fundamental forces genannt. Im Deutschen spricht man dagegen üblicherweise auch von den fundamentalen Wechselwirkungen. Zwei von ihnen sind den meisten in ihrer alltäglichen Erfahrung geläufig, nämlich die Gravitation also Schwerkraft und die elektromagnetische Wechselwirkung, die man z.B. bei einem Elektromagneten leicht bemerkt oder im Gewitter eindrucksvoll als Blitze sehen kann. Aber insgesamt wäre die Elektrotechnik, inklusive Computern, etc. ohne Elektromagnetismus nicht möglich. Beide von ihnen sind bis ins unendliche spürbar, d.h. die Anziehungskraft der Erde hat auch noch, wenn auch sehr schwache, Auswirkungen auf ein Objekt, das sehr weit entfernt ist.

Die anderen beiden sind für Menschen nicht wirklich erfahrbar, allerdings kann man sie messen. Beiden ist gemein, dass sie nur auf sehr kurze Reichweiten wirken, weniger als 10 hoch -15, also 0,000000000000001 m, das ist nicht einmal ein Tausendstel des Durchmessers eines Wasserstoffatoms und in der Größenordnung des Durchmessers eines Proton. Die schwache Wechselwirkung ist eine dieser beiden. Sie tritt auf beim radioaktiven Zerfall von Atomen, bzw. deren Fusion. Ohne sie gäbe es keine Kernfusion und somit auch keine Sterne.

Die letzte Wechselwirkung ist die Starke Wechselwirkung. Sie ist die Kraft, die die Quarks (aus der Quantentheorie) untereinander bindet und somit für die Existenz von größeren Teilchen, wie den Protonen und Neutronen, verantwortlich. Außerdem bestimmt sie auch den Zusammenhalt dieser Teilchen untereinander. In der Chemie ist dem einen oder anderen diese Kraft vielleicht schon untergekommen.

Mit diesen vier Grundkräften, können wir das Universum, wie wir es bisher beobachtet haben, erklären. Sie haben allerdings nicht immer existiert, sondern sind zusammen mit dem Universum entstanden und haben sich entwickelt – schließlich gab es auch die genannten Teilchen nicht von Anfang an. Wie genau die Kraftverhältnisse zu diesem Zeitpunkt ausgesehen haben, kann man momentan allerdings noch nicht beschreiben.

Die Starke Wechselwirkung ist die stärkste der Grundkräfte, danach folgt die elektromagnetische Kraft, die ungefähr ein hundertstel so stark ist. Die Schwache Wechselwirkung ist ungefähr 10 hoch -15 mal so stark wie die Starke und die Gravitation lediglich 10 hoch -41 mal. Deswegen braucht es auch eine Masse, wie die der Erde, um eine Fallbeschleunigung zu erzeugen, die ungefähr dem entspricht, was man spürt, wenn ein Porsche in drei Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigt – mit deutlich weniger Masse. Ihre große Reichweite bedeutet aber auch, dass sie das Universum strukturieren und man spektakuläre Bewegungen beobachten kann, wie die Kollision von zwei Galaxien.

Basierend auf der Quantentheorie, werden die Informationen dieser Wechselwirkung durch Austauschteilchen übertragen, sogenannten Eichbosonen. Für die schwache Wechselwirkung sind dies drei , die W-, W+ und Z0-Bosonen. Das Gluon vermittelt die Starke Wechselwirkung und das bekannte Photon die elektromagnetische Kraft. Die Gravitation ist ein Sonderfall, da man deren Boson noch nicht nachgewiesen hat und es daher nur hypothetisch ist. Es trägt den Namen Graviton.

Je kleiner die Maßstäbe der beobachteten Effekte, um so schwieriger sind sie. Da überrascht es wenig, dass man die Gravitation recht früh kannte, die schwache Wechselwirkung aber noch nicht einmal seit einhundert Jahren. Und wir wissen, dass es in unserem Verständnis des Kosmos noch Lücken gibt, die eventuell von weiteren Grundkräften zeugen. Eine Lücke wäre die Erklärung von Dunkler Materie.

So haben bereits vor zwei Jahren ungarische Wissenschaftler Messungen durchgeführt, die genau auf eine solche fünfte Kraft hindeuten. Aufmerksamkeit wurde aber erst kürzlich dadurch erregt, weil amerikanische Wissenschaftler das ganze ebenfalls untersucht haben und zu dem Schluss gekommen sind, dass sie die Entdeckung nicht ausschließen können. Bei einem Experiment haben sie in einem bestimmten Winkel Protonen auf Lithium geschossen, wodurch mehr Elektronen und Positronen (Anti-Elektronen) als erwartet produziert wurden. Die Erklärung könnte sein, dass ein bisher unbekanntes (daher unerwartetes) Boson gebildet wurde, welches durch Zerfall die zusätzlichen Elektronen und Positronen erzeugt hat. Ursprünglich waren sie auf der Suche nach einem „Dunklen Photon“, einem Photon, welches die elektromagnetische Wechselwirkung für Dunkle Materie überträgt. Die Messungen konnten dieses nicht belegen, aber eben Indizien zu einem anderen Teilchen liefern. Um was es sich dabei handelt, wird sich zeigen. Aber wir sind noch nicht durch mit dem Verstehen es Universums.

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