Grundkräfte der Natur

Die Grundkräfte der Natur

Vier Grundkräfte der Natur. Zu den weiteren Grundkräften gehören die Schwerkraft, die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft. Grundlegende Kräfte der Physik oder fundamentale Wechselwirkungen sind jene Kräfte, die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen.

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Ein grundlegendes Zusammenspiel ist eine der grundsätzlich unterschiedlichen Möglichkeiten, wie sich physische Gegenstände (Körper, Bereiche, Partikel, Systeme) gegenseitig beeinflußen können. Man unterscheidet vier grundlegende Wechselwirkungen: Schwerkraft, Elektromagnetik, schwache Interaktion und intensive Interaktion. Man nennt sie auch die vier Grundkräfte der Natur. Die vier grundlegenden Interaktionen erzeugen individuell oder in Verbindung alle bisher bekannt gewordenen physischen Vorgänge, seien es Vorgänge zwischen elementaren Partikeln oder zwischen Material und Feld im Makrobereich, auf der Erde, im Stern oder im Raum.

Andere Interaktionsarten erscheinen zur Naturbeschreibung nicht notwendig; zuweilen konnten Annahmen über eine "fünfte Kraft", die zur Erläuterung gewisser Feststellungen notwendig wäre, nicht untermauert werden. Auf der anderen Seite war es bisher nicht möglich, die Vielfältigkeit der betrachteten Prozesse mit weniger als vier grundlegenden Interaktionen zu ergründen. Jahrhundert ausgearbeitet wurde, entsprechend den neuesten Erkenntnissen modifiziert werden muss: Zwei der vier Interaktionen (die elektromagnetischen und die schwachen Wechselwirkungen) sind im heute üblichen Modell der Element-Physik von einer einheitlichen Basis abgeleitet, die den Begriff der elektroschwachen Interaktion hat.

Deshalb werden manchmal nur drei grundlegende Interaktionen erwähnt. Auf der anderen Seite beinhaltet das Standard-Modell das neuartige Higgs-Feld, das durch eine spezielle Form der Interaktion seine Massen an zunächst massenfrei gesetzte Eisen, z.B. Elektron, abgibt. Allerdings wird diese Interaktion in der Regel nicht als fünfte grundlegende Interaktion (ab 2017) beschrieben.

Von Isaac Newton wurde die Erdanziehungskraft, auch bekannt als Schwere, im XVII. Jh. als Naturgewalt erkannt und rechnerisch geschildert. Schwerelosigkeit ist die überwiegende Interaktion zwischen den beiden Welten und der Erde und damit die Grundlage für die Form des Sonnenlichts. Als Naturgewalt wurde ab der Hälfte des neunzehnten Jh. die elektomagnetische Interaktion erkannt, nachdem James Clerk Maxwell die nach ihm genannten Maxwell-Gleichungen etabliert hatte, mit denen die Erscheinungen von Strom, Elektromagnetismus und Optiken gleichermassen zu beschreiben waren.

Elektro-Magnetische Wechselwirkungen basieren auf elektrischer Aufladung, Magnetdipolen und Elektromagnetfeldern. Ähnlich wie die Schwerkraft hat auch die magnetische Interaktion eine unbegrenzte Bandbreite. Je nach Zeichen der Spannung hat sie jedoch eine attraktive oder abstoßende Wirkung und kann daher im Vergleich zur Schwerkraft abgeschirmt oder sogar eliminiert werden (positive und negative Aufladungen gleichen sich in der Regel nahezu genau aus).

Alltagsphänomene wie z. B. Beleuchtung, Strom, Magnetismus, chemisches Binden, d. h. auch chemischer Reaktion und unterschiedlicher Materialbeschaffenheit in Natur, Haushalt und Technologie, lassen sich auf die elektromagnetischen Wechselwirkungen zurückführen. Das Quantenfeld der theoretischen Entwicklung der Maxwellgleichungen führt zur quantenelektrodynamischen Entwicklung in der Hälfte des zwanzigsten Jahrtausends. Das Zusammenspiel, auch Kernenergie oder Kernenergie genannt, bindet die Quarks zusammen.

Auf diese Weise wird durch die hohe Interaktion die bindende Energie der Kerne und die Energieumwandlung bei der Kernreaktion ermittelt. Die Energieumwandlungen sind in der Regel milliardenfach höher als in der chemischen Industrie, wo sie aus der elektro-magnetischen Interaktion zwischen den Atomschalen resultieren. In den siebziger Jahren wurde als stärkster Grundstoff der Natur die intensive Interaktion seit den zwanziger Jahren gefordert, konnte aber erst in den siebziger Jahren nach der Erkenntnis, dass alle hadrons aus zwei oder drei Quarzen bestehen, genau wiedergegeben werden.

Das Quantenfeld der intensiven Interaktion ist die Quanten-Chromodynamik (QCD). Es repräsentiert die Interaktion zwischen zwei Quarzen durch den Wechsel eines gluon. Sie haben ihre eigene Art der Aufladung, die im Gegensatz zur Stromladung in drei verschiedenen Ausführungen vorkommt und als farbige Aufladung bekannt ist. Kennzeichnend für die enge Interaktion ist, dass die Elementarteilchen, in denen sie agiert, nicht einzeln auftraten.

Wenn man beispielsweise die einzelnen Quadrate von einander zu unterscheiden sucht, muss so viel Kraft verwendet werden, dass die Gleichwertigkeit von Materie und Elektrizität weitere Quadrate erzeugen und sich mit den anderen zu kompletten Quadraten kombinieren kann. Diese Erscheinung, die als Enge bezeichnet wird, bedeutet, dass die Bandbreite der intensiven Interaktion den Hadronenradius (ca. 10-15 m) nicht überschreitet.

Genaue Wirkungsmechanismen starker Wechselwirkungen sind Thema der aktuellen Forschungen. Weil die Größen sehr energieabhängig sind, wird die geringe Interaktion in manchen Bereichen auch mit der Relativstärke 10-13, der Schwerkraft mit 10-38 oder 10-39 angezeigt Die Kernaussage ist die Kleinheit der Schwerkraft sowie der geringe Anteil der geringen Interaktion bei geringen Energiewerten.

Ein Ziel der physikalischen Forschung ist es, festzustellen, ob alle Grundkräfte oder Interaktionen in einem einheitlichen Leitbild beschrieben werden sollen. Auf diese Weise könnten alle bisher bekannt gewordenen Belastungen auf eine einzelne Basiskraft reduziert werden. Zum Beispiel ist die elektro-magnetische Interaktion eine Standardisierung der elektromagnetischen Interaktion.

Außerdem haben die elektromagnetischen Wechselwirkungen und die schwachen Wechselwirkungen bei Energiewerten von etwa 102 GeV etwa die selbe Festigkeit und können als ein elektroschwaches Wechselspiel bezeichnet werden. Im aktuellen Standard-Modell der Teilchenphysik ist die enge Interaktion jedoch unzusammenhängend. Diese drei Grundkräfte des aktuellen Standard-Modells der Teilchenphysik zu vereinen, ist eine These, die als Grand Unit Theory GUT bezeichnet wird.

Eine zentrale Komponente ist die Approximation der Koppelkonstanten der drei Interaktionen zu einem einheitlichen Betrag, wenn die Vorgänge mit immer höheren Energien betrachtet werden. Ein Konzept, das alle vier Grundkräfte verbindet, heißt World Formula oder Theory of Everything (TOE). In der folgenden Übersicht ist das Zusammenwirken der verschiedenen Grundkräfte untereinander und die zugehörige Rangordnung der physikalischen Grundlagen dargestellt: Hinweis: Die in der Frühphase der Entstehung befindlichen theoretischen Ansätze sind in blauer Farbe dargestellt.

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