Fundamentale Wechselwirkung

Grundidee und Bedeutung

Eine fundamentale Wechselwirkung ist einer der grundlegend verschiedenen Wege, auf denen physikalische Objekte einander beeinflussen können. Dazu zählen Körper, Felder, Teilchen und ganze Systeme. In der Physik werden vier solche Wechselwirkungen unterschieden: Gravitation, elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Sie heißen auch Grundkräfte oder Naturkräfte.

Diese vier Wechselwirkungen erklären einzeln oder gemeinsam alle bekannten physikalischen Prozesse: Vorgänge zwischen Elementarteilchen, Wechselwirkungen zwischen Materie und Feldern, Prozesse auf der Erde, in Sternen und im Weltraum. Bisher ist keine weitere Wechselwirkung nötig, um die Natur zu beschreiben. Hypothesen über eine „fünfte Kraft“ konnten nicht bestätigt werden. Zugleich ist es bisher auch nicht gelungen, die beobachteten Vorgänge mit weniger als vier Wechselwirkungen vollständig zu erklären.

Das einfache Bild der vier Grundkräfte wurde seit der Mitte des 20. Jahrhunderts weiterentwickelt. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik werden die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung aus einer gemeinsamen Grundlage hergeleitet, der elektroschwachen Wechselwirkung. Deshalb wird manchmal von nur drei fundamentalen Wechselwirkungen gesprochen. Außerdem enthält das Standardmodell das Higgs-Feld. Es verleiht durch eine besondere Wechselwirkung ursprünglich masselos angesetzten Fermionen, zum Beispiel Elektronen, ihre Masse. Diese Wechselwirkung wird jedoch Stand 2017 gewöhnlich nicht als fünfte fundamentale Wechselwirkung bezeichnet.

Gravitation und Elektromagnetismus

Die Gravitation, auch Schwerkraft genannt, wurde im 17. Jahrhundert von Isaac Newton als Naturkraft erkannt und mathematisch beschrieben. Sie geht von jedem Körper mit Masse aus und wirkt anziehend auf alle anderen Massen. Sie wird mit größerer Entfernung schwächer, lässt sich nicht abschirmen und hat eine unendliche Reichweite. Die Gravitation der Erde macht den Hauptanteil der Gewichtskraft aus. Sie bestimmt stark unsere Lebenswelt, hält Planeten auf Bahnen um die Sonne, prägt die Gestalt des Sonnensystems und beeinflusst den Zustand und die Entwicklung der Sterne sowie die großräumigen Strukturen des Universums. Zwischen Alltagsgegenständen wirkt sie ebenfalls, ist dort aber so schwach, dass sie praktisch vernachlässigt werden kann. Experimentell wurde sie in diesem Bereich erst Ende des 18. Jahrhunderts von Henry Cavendish mit der Gravitationswaage nachgewiesen. Die heute gültige Gravitationstheorie ist die allgemeine Relativitätstheorie, die Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein aufgestellt wurde. Eine passende Quantenfeldtheorie der Gravitation wurde bisher nicht gefunden.

Die elektromagnetische Wechselwirkung wurde ab Mitte des 19. Jahrhunderts als Grundkraft erkannt. James Clerk Maxwell formulierte die Maxwell-Gleichungen, mit denen Elektrizität, Magnetismus und Optik gemeinsam beschrieben werden können. Die elektromagnetische Wechselwirkung geht von elektrischen Ladungen, magnetischen Dipolen und elektromagnetischen Feldern aus. Sie kann auf geladene oder magnetische Körper anziehend oder abstoßend wirken, abhängig vom Vorzeichen der Ladung. Im Unterschied zur Gravitation kann sie abgeschirmt oder fast vollständig aufgehoben werden, weil positive und negative Ladungen sich gewöhnlich nahezu exakt kompensieren. Auch sie hat unendliche Reichweite.

Viele Alltagsphänomene beruhen auf der elektromagnetischen Wechselwirkung: Licht, Elektrizität, Magnetismus, chemische Bindungen, chemische Reaktionen und viele Materialeigenschaften in Natur und Technik. Die quantenfeldtheoretische Weiterentwicklung der Maxwell-Theorie ist die Quantenelektrodynamik. In ihr ist das Photon das Austauschteilchen, das elektromagnetischen Effekten zugrunde liegt.

Schwache und starke Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung, auch schwache Kernkraft genannt, wurde 1934 von Enrico Fermi als fundamentale Wechselwirkung beschrieben, die die Betaradioaktivität verursacht. Ihre Reichweite ist extrem kurz und beträgt etwa 10^{−17} m. Sie wirkt zwischen allen Teilchen vom Typ Lepton und Quark. Leptonen und Quarks sind grundlegende Teilchenarten im Standardmodell. Die schwache Wechselwirkung ist die einzige Wechselwirkung, die Umwandlungen von einer Teilchenart in eine andere bewirken kann, zum Beispiel Elektron zu Neutrino oder up-Quark zu down-Quark, jedoch nicht zwischen Leptonen und Quarks.

Sie ist außerdem die einzige Wechselwirkung, die bestimmte Symmetrien der Naturvorgänge verletzt: die Symmetrie gegenüber Spiegelung des Raums, genannt Parität oder P-Symmetrie, die Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie oder C-Symmetrie und die Symmetrie gegenüber Umkehrung der Zeitrichtung oder T-Symmetrie. Menschen können die schwache Wechselwirkung nicht direkt wahrnehmen. Sie ermöglicht aber wichtige Zwischenschritte bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium, aus der die Sonne ihre Strahlungsenergie bezieht. Die Energie selbst wird dabei durch die starke Wechselwirkung freigesetzt. Die schwache Wechselwirkung wird heute zusammen mit der elektromagnetischen Wechselwirkung als elektroschwache Wechselwirkung beschrieben. Ihre Austauschteilchen sind Z^{0}, W^{+} und W^{−}. Ihre große Masse erklärt die kurze Reichweite und die geringe Stärke bei alltäglichen Vorgängen. Die Theorie sagte außerdem das Higgs-Boson voraus; im Juli 2012 meldete das Forschungszentrum CERN am Large Hadron Collider den Nachweis eines Teilchens, bei dem es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um das Higgs-Boson handelt.

Die starke Wechselwirkung, auch starke Kernkraft genannt, bindet Quarks aneinander. Dadurch hält sie Hadronen wie Protonen und Neutronen im Inneren zusammen. Außerdem verursacht sie kurzreichweitige Anziehungskräfte zwischen Hadronen. Diese Kernkräfte im engeren Sinn halten Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen. Deshalb bestimmt die starke Wechselwirkung die Bindungsenergie der Atomkerne und die Energieumsätze bei Kernreaktionen. Diese sind typischerweise millionenfach größer als die Energieumsätze in der Chemie, die von der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Atomhüllen abhängen.

Die starke Wechselwirkung wurde seit den 1920er Jahren postuliert, aber erst in den 1970er Jahren zutreffend beschrieben, nachdem entdeckt worden war, dass alle Hadronen aus zwei oder drei Quarks bestehen. Ihre Quantenfeldtheorie heißt Quantenchromodynamik, kurz QCD. Sie beschreibt die Wechselwirkung zwischen zwei Quarks durch den Austausch eines Gluons. Dabei tragen Teilchen eine eigene Art von Ladung, die starke Ladung. Sie tritt in acht Varianten auf und wird über drei gleichzeitig messbare Größen charakterisiert, die Farbladungen heißen. Ein besonderes Merkmal ist das Confinement, also Einschließung: Quarks können nicht isoliert auftreten. Wenn man zwei Quarks trennen will, entsteht durch die aufgewendete Energie neue Materie, sodass sich wieder vollständige Hadronen bilden. Deshalb reicht die starke Wechselwirkung effektiv nicht über den Radius eines Hadrons hinaus, also etwa 10^{−15} m. Ihre genauen Mechanismen sind weiterhin Gegenstand aktueller Forschung.

Vergleich der vier Kräfte

Die vier Grundkräfte unterscheiden sich stark in Austauschteilchen, Reichweite, relativer Stärke und Art der Ladung. Die Gravitation hätte nach der Tabelle ein postuliertes Austauschteilchen, das Graviton. Seine Masse wird mit ≈ 0 angegeben, sein Spin mit 2. Ihre relative Stärke liegt bei 10^{−41}, ihre Reichweite ist unendlich, und sie koppelt an Masse.

Die elektromagnetische Kraft wird durch das Photon vermittelt. Dessen Masse ist ≈ 0, sein Spin 1. Die relative Stärke wird mit 10^{−2} angegeben, die Reichweite ist unendlich, und die zugehörige Ladung ist die elektrische Ladung.

Die schwache Wechselwirkung wird durch W^{+}, W^{−} und Z^{0} vermittelt. Für W^{+} und W^{−} wird eine Masse von ≈ 80 GeV/c^{2} angegeben, für Z^{0} ≈ 91 GeV/c^{2}; der Spin beträgt 1. Die relative Stärke ist in der Tabelle 10^{−15}, die Reichweite kleiner als 10^{−17} m. Eine zugehörige Ladung ist dort als nicht definierbar angegeben.

Die starke Wechselwirkung wird durch Gluonen vermittelt. Ihre Masse ist ≈ 0, ihr Spin 1. Die relative Stärke wird als 1 angegeben, die Reichweite als ≈ 10^{−15} m. Die zugehörige Ladung ist die starke Ladung, charakterisiert durch Farbladung.

Die angegebenen relativen Stärken gelten typisch für Prozesse im Energiebereich bis zu einigen GeV. Da diese Werte stark von der Energie abhängen, findet man in manchen Quellen andere Zahlen: für die schwache Wechselwirkung etwa 10^{−13}, für die Gravitation 10^{−38} oder 10^{−39}. Entscheidend bleibt, dass die Gravitation extrem schwach ist und die schwache Wechselwirkung bei niedrigen Energien ebenfalls einen kleinen Wert hat.

Hypothesen und Vereinheitlichung

In der theoretischen Physik wird über weitere mögliche Kräfte spekuliert, obwohl es dafür bisher keine Nachweise gibt. Beispiele sind Technicolor-Theorien, Theorien der Supersymmetrie und Stringtheorien. Neue makroskopische Kräfte werden manchmal unter dem Begriff „Fünfte Kraft“ zusammengefasst. Solche Kräfte wären hypothetische Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Ein wichtiges Ziel der Physik ist eine vereinheitlichte Beschreibung aller Grundkräfte. Eine solche Theorie könnte alle bekannten Kräfte auf eine einzige Grundkraft zurückführen. Schon die elektromagnetische Wechselwirkung ist eine Vereinheitlichung von elektrischer und magnetischer Wechselwirkung. Außerdem haben elektromagnetische und schwache Wechselwirkung bei Energien ab etwa 10^{2} GeV ungefähr gleiche Stärke und können als elektroschwache Wechselwirkung einheitlich beschrieben werden.

Im heutigen Standardmodell bleibt die starke Wechselwirkung daneben unverbunden. Eine Theorie, die starke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkung vereinheitlichen würde, heißt große vereinheitlichte Theorie oder Grand Unification Theory, kurz GUT. Zentral ist dabei die Annäherung der Kopplungskonstanten der drei Wechselwirkungen an einen gemeinsamen Wert bei immer höheren Energien. Aktuelle Theorien nehmen eine solche Annäherung bei etwa 10^{16} GeV an. Das liegt um den unerreichbaren Faktor 10^{12} über der derzeit höchsten in einem Experiment erzielten Teilchenenergie.

Eine Theorie, die alle vier Grundkräfte vereint, wird Weltformel oder Theory of Everything, kurz TOE, genannt. Sie müsste zusätzlich zur hypothetischen GUT eine bisher unbekannte Quantentheorie der Gravitation enthalten. Stringtheorien und Superstringtheorien gelten als aussichtsreiche Kandidaten, haben aber bisher kein experimentell überprüfbares Resultat ergeben.