Was sind die vier fundamentalen Kräfte der Natur?
Seit dem frühen 20. Jahrhundert haben die Physiker vier fundamentale Kräfte oder Wechselwirkungen erkannt, die alle bekannten Phänomene in der Natur umfassen. Drei von vier wurden rigoros und mathematisch durch das in den frühen 1970er Jahren formulierte Standardmodell charakterisiert. Die vier Kräfte sind die starke Kernkraft (auch als Farbkraft bekannt), die schwache Kernkraft (vermittelt den Beta-Zerfall), die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft.
Bei sehr hohen Energien vereinigen sich die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft (beginnen sich austauschbar zu verhalten), während bei noch höheren Kräften angenommen wird, dass sich die starke Kraft mit der elektroschwachen und schließlich die stark elektroschwache Kraft mit der Schwerkraft vereinigt. Es wird angenommen, dass alle vier einen Moment nach dem Urknall, in den frühesten Stadien der Entstehung des Universums, vereint waren.
Die starke Kernkraft hält Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen. Insbesondere wird es durch den Austausch von Gluonen zwischen Quarks vermittelt, die Protonen und Neutronen bilden. Es ist 100-mal stärker als die elektromagnetische Kraft. Wenn Kerne in Kernreaktionen zerschlagen werden, wird Energie von dieser Kraft freigesetzt. Beschrieben durch die als Quantenchromodynamik bezeichnete physikalische Theorie, verliert es seine gesamte Stärke in Entfernungen, die viel weiter als der Atomkern sind.
Die elektromagnetische Kraft ist diejenige, mit der Menschen am besten vertraut sind, und sie ist für alle chemischen Reaktionen und die am besten erkennbaren physikalischen Eigenschaften wie Licht verantwortlich. Es wird durch Photonen vermittelt, die die gesamte elektromagnetische Strahlung ausmachen, von kosmischen Strahlen über sichtbares Licht bis hin zu extrem niederfrequenten Radiowellen. Sowohl Wärme als auch Licht bestehen aus Photonen.
Elektromagnetische Kraftwechselwirkungen werden durch elektrische Ladung bestimmt. Der Grund, warum Menschen beim Sitzen nicht durch einen Stuhl fallen, ist, dass die negative Ladung der Elektronenschalen, aus denen der Körper besteht, von der negativen Ladung der Elektronenschalen, aus denen der Stuhl besteht, abgestoßen wird. Photonenwellen nehmen in Abhängigkeit vom Quadrat der Entfernung ihrer Quelle an Stärke ab.
Die schwache Atomkraft ist für eine relativ kleine Bandbreite grundlegender Wechselwirkungen verantwortlich. Es vermittelt den Beta-Zerfall, was passiert, wenn ein Neutron in ein Proton und ein Elektron oder Positron zerfällt. Vermittelt durch W- und Z-Bosonen ist es etwa hundert Milliarden Mal schwächer als das elektromagnetische. Es funktioniert nur über kurze Strecken.
Die Schwerkraft ist die schwächste aller Kräfte, aber die am weitesten verbreitete im Universum, weil sie von allen Körpern mit Masse erzeugt wird. Die Schwerkraft ist 36- mal schwächer als die elektromagnetische Kraft, was eine mathematische Analyse schwierig macht. Die Teilchen, von denen angenommen wird, dass sie die Schwerkraft vermitteln - Gravitonen - wurden noch nicht nachgewiesen. Die Schwerkraft unterscheidet sich auch dadurch von den anderen Kräften, dass sie noch nicht streng mathematisch in die anderen integriert wurde. Seit fast einem Jahrhundert suchen Physiker nach einer Theorie, um die Schwerkraft mit den anderen Kräften zu vereinen.