Vom Gehen auf der Straße über das Abfeuern einer Rakete in den Weltraum bis hin zum Anbringen eines Magneten an Ihrem Kühlschrank wirken überall um uns herum physische Kräfte. Aber alle Kräfte, die wir jeden Tag erfahren (und viele, von denen wir nicht wissen, dass wir sie jeden Tag erfahren), können auf nur vier grundlegende Kräfte reduziert werden:
- Schwere.
- Die schwache Kraft.
- Elektromagnetismus.
- Die starke Kraft.
Diese werden die vier fundamentalen Kräfte der Natur genannt und regieren alles, was im Universum geschieht.
Schwere
Die Schwerkraft ist die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten, die Masse oder Energie haben, unabhängig davon, ob ein Stein von einer Brücke fällt, ein Planet einen Stern umkreist oder der Mond Gezeiten verursacht. Die Schwerkraft ist wahrscheinlich die intuitivste und bekannteste der fundamentalen Kräfte, aber es war auch eine der schwierigsten zu erklären.
Isaac Newton war der erste, der die Idee der Schwerkraft vorschlug, angeblich inspiriert von einem Apfel, der von einem Baum fällt. Er beschrieb die Schwerkraft als eine buchstäbliche Anziehungskraft zwischen zwei Objekten. Jahrhunderte später schlug Albert Einstein durch seine allgemeine Relativitätstheorie vor, dass die Schwerkraft keine Anziehungskraft oder Kraft ist. Stattdessen ist es eine Folge von Objekten, die Raum-Zeit biegen. Ein großes Objekt arbeitet in der Raumzeit ein bisschen so, wie eine große Kugel in der Mitte eines Blattes dieses Material beeinflusst, es verformt und andere, kleinere Objekte auf dem Blatt in Richtung Mitte fallen lässt.
Obwohl die Schwerkraft Planeten, Sterne, Sonnensysteme und sogar Galaxien zusammenhält, stellt sich heraus, dass sie die schwächste der fundamentalen Kräfte ist, insbesondere auf molekularer und atomarer Ebene. Stellen Sie sich das so vor: Wie schwer ist es, einen Ball vom Boden zu heben? Oder um den Fuß zu heben? Oder um zu springen? All diese Aktionen wirken der Schwerkraft der gesamten Erde entgegen. Und auf molekularer und atomarer Ebene hat die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen fundamentalen Kräften fast keinen Einfluss.
Die schwache Kraft
Die schwache Kraft, auch schwache Kernwechselwirkung genannt, ist für den Partikelzerfall verantwortlich. Dies ist die buchstäbliche Änderung eines Typs subatomarer Teilchen in einen anderen. So kann beispielsweise ein Neutrino, das sich einem Neutron nähert, das Neutron in ein Proton verwandeln, während das Neutrino zu einem Elektron wird.
Physiker beschreiben diese Wechselwirkung durch den Austausch krafttragender Teilchen, die Bosonen genannt werden. Bestimmte Arten von Bosonen sind für die schwache Kraft, die elektromagnetische Kraft und die starke Kraft verantwortlich. In der schwachen Kraft sind die Bosonen geladene Teilchen, die als W- und Z-Bosonen bezeichnet werden. Wenn subatomare Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen innerhalb von 10 ^ -18 Metern oder 0,1% des Durchmessers eines Protons voneinander entfernt sind, können sie diese Bosonen austauschen. Laut der HyperPhysics-Website der Georgia State University zerfallen die subatomaren Partikel in neue Partikel.
Die schwache Kraft ist entscheidend für die Kernfusionsreaktionen, die die Sonne antreiben und die Energie produzieren, die für die meisten Lebensformen hier auf der Erde benötigt wird. Es ist auch der Grund, warum Archäologen Kohlenstoff-14 verwenden können, um alte Knochen, Holz und andere früher lebende Artefakte zu datieren. Kohlenstoff-14 hat sechs Protonen und acht Neutronen; Eines dieser Neutronen zerfällt in ein Proton und bildet Stickstoff-14 mit sieben Protonen und sieben Neutronen. Dieser Zerfall erfolgt mit vorhersehbarer Geschwindigkeit, sodass Wissenschaftler feststellen können, wie alt solche Artefakte sind.
Elektromagnetische Kraft
Die elektromagnetische Kraft, auch Lorentzkraft genannt, wirkt zwischen geladenen Teilchen wie negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Protonen. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an, während sich ähnliche Ladungen abstoßen. Je größer die Ladung, desto größer die Kraft. Und ähnlich wie die Schwerkraft kann diese Kraft aus unendlicher Entfernung gefühlt werden (obwohl die Kraft in dieser Entfernung sehr, sehr klein wäre).
Wie der Name schon sagt, besteht die elektromagnetische Kraft aus zwei Teilen: der elektrischen Kraft und der magnetischen Kraft. Zuerst beschrieben die Physiker diese Kräfte als voneinander getrennt, aber später erkannten die Forscher, dass die beiden Komponenten derselben Kraft sind.
Die elektrische Komponente wirkt zwischen geladenen Teilchen, unabhängig davon, ob sie sich bewegen oder stationär sind, und erzeugt ein Feld, durch das sich die Ladungen gegenseitig beeinflussen können. Sobald diese geladenen Teilchen in Bewegung gesetzt sind, zeigen sie die zweite Komponente, die Magnetkraft. Die Partikel erzeugen ein Magnetfeld um sie herum, wenn sie sich bewegen. Wenn also Elektronen durch ein Kabel zoomen, um beispielsweise Ihren Computer oder Ihr Telefon aufzuladen oder Ihren Fernseher einzuschalten, wird das Kabel magnetisch.
Elektromagnetische Kräfte werden zwischen geladenen Teilchen durch den Austausch von masselosen, krafttragenden Bosonen, sogenannten Photonen, übertragen, die auch Teilchenkomponenten des Lichts sind. Die krafttragenden Photonen, die zwischen geladenen Teilchen wechseln, sind jedoch eine andere Manifestation von Photonen. Sie sind virtuell und nicht nachweisbar, obwohl sie technisch die gleichen Partikel sind wie die reale und nachweisbare Version, so die University of Tennessee, Knoxville.
Die elektromagnetische Kraft ist für einige der am häufigsten auftretenden Phänomene verantwortlich: Reibung, Elastizität, Normalkraft und Kraft, die Feststoffe in einer bestimmten Form zusammenhält. Es ist sogar verantwortlich für den Luftwiderstand, den Vögel, Flugzeuge und sogar Superman beim Fliegen erleben. Diese Aktionen können auftreten, wenn geladene (oder neutralisierte) Partikel miteinander interagieren. Die normale Kraft, die ein Buch auf einem Tisch hält (anstatt dass die Schwerkraft das Buch zu Boden zieht), ist beispielsweise eine Folge von Elektronen in den Atomen des Tisches, die Elektronen in den Atomen des Buches abstoßen.
Die starke Atomkraft
Die starke Kernkraft, auch starke nukleare Wechselwirkung genannt, ist die stärkste der vier Grundkräfte der Natur. Laut der HyperPhysics-Website ist es 6 Tausend Billionen Billionen Billionen (das sind 39 Nullen nach 6!) Mal stärker als die Schwerkraft. Und das liegt daran, dass es die grundlegenden Materieteilchen zu größeren Teilchen zusammenhält. Es hält die Quarks zusammen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, und ein Teil der starken Kraft hält auch die Protonen und Neutronen des Atomkerns zusammen.
Ähnlich wie die schwache Kraft wirkt die starke Kraft nur, wenn subatomare Teilchen extrem nahe beieinander liegen. Laut der HyperPhysics-Website müssen sie innerhalb von 10 ^ -15 Metern voneinander oder ungefähr innerhalb des Durchmessers eines Protons liegen.
Die starke Kraft ist jedoch seltsam, da sie im Gegensatz zu allen anderen fundamentalen Kräften schwächer wird, wenn subatomare Teilchen näher zusammenrücken. Laut Fermilab erreicht es tatsächlich die maximale Stärke, wenn die Partikel am weitesten voneinander entfernt sind. Sobald sie sich in Reichweite befinden, übertragen masselos geladene Bosonen, sogenannte Gluonen, die starke Kraft zwischen Quarks und halten sie "zusammengeklebt". Ein winziger Bruchteil der starken Kraft, die als verbleibende starke Kraft bezeichnet wird, wirkt zwischen Protonen und Neutronen. Protonen im Kern stoßen sich aufgrund ihrer ähnlichen Ladung gegenseitig ab, aber die verbleibende starke Kraft kann diese Abstoßung überwinden, sodass die Teilchen im Kern eines Atoms gebunden bleiben.
Die Natur vereinen
Die offene Frage der vier fundamentalen Kräfte ist, ob sie tatsächlich Manifestationen nur einer einzigen großen Kraft des Universums sind. In diesem Fall sollte jeder von ihnen in der Lage sein, sich mit den anderen zusammenzuschließen, und es gibt bereits Beweise dafür, dass dies möglich ist.
Die Physiker Sheldon Glashow und Steven Weinberg von der Harvard University mit Abdus Salam vom Imperial College London erhielten 1979 den Nobelpreis für Physik für die Vereinigung der elektromagnetischen Kraft mit der schwachen Kraft, um das Konzept der elektroschwachen Kraft zu bilden. Physiker, die daran arbeiten, eine sogenannte Grand Unified Theory zu finden, wollen die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft vereinen, um eine elektronenkernige Kraft zu definieren, die Modelle vorhergesagt haben, Forscher jedoch noch nicht beobachtet haben. Das letzte Puzzleteil würde dann die Vereinigung der Schwerkraft mit der elektronenkernen Kraft erfordern, um die sogenannte Theorie von allem zu entwickeln, einen theoretischen Rahmen, der das gesamte Universum erklären könnte.
Physiker fanden es jedoch ziemlich schwierig, die mikroskopische Welt mit der makroskopischen zu verschmelzen. Auf großen und insbesondere astronomischen Skalen dominiert die Schwerkraft und lässt sich am besten durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreiben. Auf molekularer, atomarer oder subatomarer Ebene beschreibt die Quantenmechanik die natürliche Welt am besten. Und bis jetzt hat niemand einen guten Weg gefunden, um diese beiden Welten zusammenzuführen.
Physiker, die die Quantengravitation untersuchen, wollen die Kraft in Bezug auf die Quantenwelt beschreiben, die bei der Verschmelzung helfen könnte. Grundlegend für diesen Ansatz wäre die Entdeckung von Gravitonen, dem theoretischen krafttragenden Boson der Gravitationskraft. Die Schwerkraft ist die einzige fundamentale Kraft, die Physiker derzeit beschreiben können, ohne krafttragende Teilchen zu verwenden. Da für die Beschreibung aller anderen fundamentalen Kräfte krafttragende Partikel erforderlich sind, erwarten Wissenschaftler, dass Gravitonen auf subatomarer Ebene existieren müssen - Forscher haben diese Partikel einfach noch nicht gefunden.
Eine weitere Komplikation der Geschichte ist das unsichtbare Reich der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, die ungefähr 95% des Universums ausmachen. Es ist unklar, ob dunkle Materie und Energie aus einem einzelnen Teilchen oder einer ganzen Reihe von Teilchen bestehen, die ihre eigenen Kräfte und Botenbosonen haben.
Das primäre Botenpartikel von aktuellem Interesse ist das theoretische dunkle Photon, das Wechselwirkungen zwischen dem sichtbaren und dem unsichtbaren Universum vermitteln würde. Wenn dunkle Photonen existieren, wären sie der Schlüssel zur Entdeckung der unsichtbaren Welt der dunklen Materie und könnten zur Entdeckung einer fünften fundamentalen Kraft führen. Bisher gibt es jedoch keine Hinweise darauf, dass dunkle Photonen existieren, und einige Untersuchungen haben starke Beweise dafür geliefert, dass diese Teilchen nicht existieren.
