Die fundamentalen Wechselwirkungen

Übersicht über die Kräfteteilchen

Elementarteilchen beeinflussen sich gegenseitig über vier fundamentale Kräfte, die selbst wiederum durch eine eigene Art von Kräfteteilchen (auch Trägerteilchen genannt) vermittelt werden. Da diese Kräfteteilchen nicht nur Kräfte vermitteln, sondern auch auf bestimmte Weise ein Teilchen in ein anderes verwandeln können, spricht man allgemein lieber von den vier fundamentalen Wechselwirkungen.

Diese Wechselwirkungen sind von recht unterschiedlicher Stärke. Obwohl wir die Schwerkraft (Gravitation) im Alltag als stärkste spüren, ist sie die schwächste aller Wechselwirkungen - was man z.B. daran sieht, dass bereits sehr kleine Magnete Gegenstände entgegen der vereinten Schwerkraft der gesamten Masse der Erde anziehen können. Die Gravitation ist in kosmischen Maßstäben mit der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein sehr gut verstanden. Wie allerdings Gravitation in der subatomaren Welt aussieht, ist bislang hypothetisch. Man vermutet die Existenz von Gravitonen als die oben erwähnten Kraftteilchen, die die Schwerkraft vermitteln. Deren Nachweis ist aber experimentell aufgrund der Schwäche der Kraft äußerst schwierig, und auch theoretisch gibt es nicht unerhebliche Schwierigkeiten, die Gravitation schlüssig in die Theorie der anderen Wechselwirkungen einzufügen.

Neben der Schwerkraft sind aus dem Alltag auch elektrische und magnetische Kräfte bekannt. Wie man schon seit dem 19. Jahrhundert weiß, sind diese beiden Kräfte zwei Auswirkungen derselben elektromagnetischen Wechselwirkung. Ebenfalls lange bekannt ist, dass es sich bei Licht um eine elektromagnetische Schwingung handelt. Es stellt sich nun aber heraus, das auch Licht aus Teilchen besteht, den Photonen. Diese Photonen sind nichts anderes als die Kräfteteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Wenn sich zwei Körper elektrisch (oder magnetisch) anziehen, so liegt das daran, dass sie untereinander Photonen austauschen (für tiefer Interessierte: Da diese Photonen nur zwischen den beteiligten Teilchen laufen, und nicht nach außen dringen, sind sie aus prinzipiellen Gründen niemals sichtbar - man nennt sie deswegen auch virtuelle Teilchen).

Neben den bisher genannten Wechselwirkungen gibt es auch im Alltag weniger auffällige, aber nicht minder bedeutende Kräfte, darunter auch die stärkste aller bekannten Wechselwirkungen, die sog. starke Kraft. Sie sorgt dafür, dass Atomkerne zusammenhalten, obwohl diese aus mitunter vielen positiv geladenen Protonen bestehen, die sich ja elektrisch stark abstoßen. Die zugehörigen Kraftteilchen sind die Gluonen (nach englisch glue). Genauso wie es einer elektrischen Ladung bedarf, damit sich zwei Körper elektrisch anziehen oder abstoßen, bedarf es einer "starken" Ladung, damit die starke Kraft wirksam werden kann. Nur Quarks tragen eine solche "starke" Ladung. Im Unterschied zur elektrischen Ladung gibt es drei verschiedene "starke" Ladungen, die man als rot, grün und blau bezeichnet. Daher leitet sich auch der Begriff Farbladung ab, wobei es sich aber hier nur um eine abstrakte Bezeichnungsweise handelt, und nicht um tatsächliche Farben von Quarks.

Es stellt sich heraus, dass die starke Kraft so stark ist, dass es aus prinzipiellen Gründen unmöglich ist, die in Protonen oder Neutronen gebundenen Quarks herauszulösen - Quarks treten daher niemals einzeln auf, sondern immer nur in gebundenen Zuständen (sog. Quark-Confinement). Nur unter extremen Umständen, wie kurz nach dem Urknall oder (für Sekundenbruchteile) während einer Kollision schwerer Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger, bildet sich ein sog. Quark-Gluon-Plasma, in dem sich Quarks relativ frei bewegen können. In unserer Alltagswelt kommt so etwas allerdings nicht vor, hier sorgt die starke Kraft für nicht mehr - aber auch nicht weniger - als die Stabilität der Atome, und damit der uns umgebenden Materie (aus der wir auch selbst bestehen).


Die letzte der hier beschriebenen fundamentalen Wechselwirkung ist die sog. schwache Kraft. Wie der Name schon andeutet, ist sie deutlich schwächer als die elektromagnetische Kraft - allerdings immer noch weitaus stärker als die Gravitation. Trotz - oder gerade wegen - ihrer Schwäche hat diese Kraft eine wichtige Bedeutung. Nicht nur ist sie die einzige Kraft, die auch auf die elektrisch und farbneutralen Neutrinos wirkt, sie ist auch die einzige Wechselwirkung, die eine Umwandlung einer Quarkart in eine andere ermöglicht. Erst dadurch wird es möglich, dass in unserer Sonne Protonen in Neutronen umgewandelt werden, und so vier Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmelzen (Helium enthält je zwei Protonen und Neutronen, Wasserstoff nur ein Proton; zwei Protonen alleine würden keinen stabilen Atomkern bilden). Dieser als Kernfusion bekannte Prozess liefert die Energie der Sonne, ohne die es kein Leben gäbe. Und nur weil die schwache Kraft schwach ist, läuft diese Kernfusion so langsam ab, dass die Sonne nun bereits seit fünf Milliarden Jahren leuchtet, und es vermutlich noch einmal so lange tun wird.

Die Kraftteilchen der schwachen Kraft sind die sog. W- und Z-Bosonen. Als einzige Kraftteilchen sind sie nicht masselos, sondern sogar relativ schwer - etwa 80-90 mal so schwer wie ein Wasserstoffatom, das seinerseits bereits aus 3 Quarks und einem Elektron besteht.