Fundamentale Wechselwirkung

Die Gravitation, auch Schwerkraft genannt, wurde im 17. Jahrhundert von Isaac Newton als Naturkraft identifiziert und mathematisch beschrieben. Sie geht von jedem Körper mit Masse aus und wirkt anziehend auf alle anderen Massen. Sie nimmt mit der Entfernung ab, lässt sich nicht abschirmen und hat eine unendliche Reichweite. Die von der Erde ausgehende Gravitation macht den Hauptanteil der Gewichtskraft aus, die unsere Lebenswelt entscheidend beeinflusst. Die Gravitation ist die vorherrschende Wechselwirkung zwischen den Planeten und der Sonne und somit die Ursache für die Gestalt des Sonnensystems. Sie hat maßgeblichen Einfluss auf den Zustand und die Entwicklung der Sterne, dominiert aber auch die großräumigen Strukturen des Universums. Die Gravitationskraft wirkt auch zwischen je zwei Gegenständen von der Größe, mit der wir täglich umgehen, ist dann aber so schwach, dass sie im Alltag praktisch vernachlässigbar ist und erst Ende des 18. Jahrhunderts von Henry Cavendish experimentell nachgewiesen werden konnte (Gravitationswaage). In Weiterentwicklung des newtonschen Gravitationsgesetzes ist die heute gültige Gravitationstheorie die allgemeine Relativitätstheorie, die Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein aufgestellt wurde. Eine zugehörige Quantenfeldtheorie wurde bisher noch nicht gefunden.

Die elektromagnetische Wechselwirkung wurde ab Mitte des 19. Jahrhunderts als eine Grundkraft der Natur identifiziert, nachdem James Clerk Maxwell die nach ihm benannten Maxwell-Gleichungen aufgestellt hatte, mit denen die Phänomene der Elektrizität, des Magnetismus und der Optik gleichermaßen beschrieben werden können. Die elektromagnetische Wechselwirkung geht von elektrischen Ladungen, magnetischen Dipolen und elektromagnetischen Feldern aus. Die Kräfte, die sie auf magnetische oder geladene Körper ausübt, können vom Menschen direkt wahrgenommen werden. Wie die Gravitation hat die elektromagnetische Wechselwirkung eine unendliche Reichweite. Sie wirkt aber je nach Vorzeichen der elektrischen Ladung anziehend oder abstoßend und lässt sich deshalb im Gegensatz zur Gravitation abschirmen oder gar eliminieren (positive und negative Ladungen kompensieren sich üblicherweise fast exakt). Auf die elektromagnetische Wechselwirkung können alltägliche Phänomene wie Licht, Elektrizität, Magnetismus, chemische Bindung, also auch chemische Reaktionen und unterschiedliche Materialeigenschaften in Natur und Technik zurückgeführt werden. Die quantenfeldtheoretische Weiterentwicklung der klassischen Maxwell-Gleichungen führte Mitte des 20. Jahrhunderts zur Quantenelektrodynamik. Darin ist das Photon das allen elektromagnetischen Effekten zugrunde liegende Austauschteilchen.

Die auch als schwache Kernkraft bezeichnete schwache Wechselwirkung wurde 1934 von Enrico Fermi als die neue fundamentale Wechselwirkung entdeckt und beschrieben, die die Betaradioaktivität verursacht. Sie hat die extrem kurze Reichweite von etwa 10⁻¹⁷ m. Sie wirkt zwischen allen Teilchen vom Typ Lepton und Quark, wobei sie als einzige der Wechselwirkungen Umwandlungen von einer Teilchenart in eine andere bewirken kann (z. B. Elektron wird Neutrino, up-Quark wird down-Quark, aber nicht zwischen Leptonen und Quarks). Die schwache Wechselwirkung ist auch die einzige, die die Symmetrie der Naturvorgänge gegenüber einer Spiegelung des Raums (Parität, P-Symmetrie), einer Umkehrung der Ladungen (Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie, C-Symmetrie) oder der Zeitrichtung (T-Symmetrie) verletzt (s. Paritätsverletzung, Ladungskonjugation, Zeitumkehrinvarianz). Die schwache Wechselwirkung kann vom Menschen nicht direkt wahrgenommen werden, bewirkt aber z. B. unverzichtbare Zwischenschritte bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium, aus der die Sonne ihre Strahlungsenergie bezieht. (Die Energie selbst wird durch die Starke Wechselwirkung freigesetzt.)

Die quantenfeldtheoretische Beschreibung der schwachen Wechselwirkung beruht auf der Zusammenfassung mit der elektromagnetischen zur elektroschwachen Wechselwirkung, die ein Grundpfeiler des Standardmodells der Elementarteilchenphysik ist. Ihre Austauschteilchen sind das Z⁰, W⁺ und W⁻, die durch ihre große Masse sowohl die kurze Reichweite als auch die verhältnismäßige Schwäche bei alltäglichen Vorgängen bewirken. Im Zusammenhang mit der Erklärung der Masse dieser Austauschteilchen sagt die Theorie ein weiteres Teilchen voraus, das Higgs-Boson. Im Juli 2012 hat das Forschungszentrum CERN den Nachweis eines Teilchens am Large Hadron Collider bekanntgegeben, bei dem es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um das Higgs-Boson handelt.[1]

Die starke Wechselwirkung, auch starke Kernkraft genannt, bindet die Quarks aneinander. Sie bewirkt damit den inneren Zusammenhalt der Hadronen, z. B. des Protons und Neutrons. Sie ist darüber hinaus Ursache der gegenseitigen Anziehungskräfte kurzer Reichweite, die zwischen den Hadronen wirken. Diese werden als Kernkräfte im engeren Sinn bezeichnet, da sie den Zusammenhalt der Protonen und Neutronen zum Atomkern ermöglichen. Damit bestimmt die starke Wechselwirkung die Bindungsenergie der Atomkerne und die Energieumsätze bei Kernreaktionen. Diese Energieumsätze sind typischerweise millionenfach größer als in der Chemie, wo sie von der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Atomhüllen herrühren.

Als stärkste Grundkraft der Natur wurde die starke Wechselwirkung seit den 1920er Jahren postuliert, konnte aber erst in den 1970er Jahren nach der Entdeckung, dass alle Hadronen aus zwei oder drei Quarks zusammengesetzt sind, zutreffend beschrieben werden. Die Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung ist die Quantenchromodynamik (QCD). Sie stellt die Wechselwirkung zwischen zwei Quarks durch den Austausch eines Gluons dar. Die Teilchen tragen einen eigenen Typ Ladung, die im Unterschied zur elektrischen Ladung in acht Varianten auftritt. Eine Charakterisierung geschieht über drei gleichzeitig messbare Größen, die als Farbladungen der Objekte bezeichnet werden. Charakteristisch für die starke Wechselwirkung ist, dass die elementaren Teilchen, bei denen sie wirkt, nicht isoliert auftreten können. Versucht man etwa zwei Quarks voneinander zu trennen, muss so viel Energie aufgewendet werden, dass wegen der Äquivalenz von Masse und Energie weitere Quarks entstehen und sich mit den vorhandenen wieder zu vollständigen Hadronen verbinden. Dieses als Confinement (Einschließung) bezeichnete Phänomen hat zur Folge, dass die Reichweite der starken Wechselwirkung effektiv nicht über den Radius eines Hadrons (ca. 10⁻¹⁵ m) hinausgeht. Die genauen Mechanismen der starken Wechselwirkung sind Gegenstand aktueller Forschung.

Hinweis: Die typische relative Stärke ist so angegeben, wie sie bei Prozessen im Energiebereich bis zu einigen GeV beobachtet wird. Da die Werte stark von der Energie abhängen, ist die schwache Wechselwirkung in einigen Quellen auch mit der relativen Stärke 10⁻¹³ angegeben, die Gravitation mit 10⁻³⁸ oder 10⁻³⁹. Die wesentliche Feststellung ist die Winzigkeit der Stärke der Gravitation sowie der kleine Wert der schwachen Wechselwirkung bei niedrigen Energien.