Die vier Grundkräfte
Alle Phänomene im Universum — von fallenden Äpfeln bis zu explodierenden Sternen — entstehen aus vier fundamentalen Wechselwirkungen. Jede hat ihren eigenen Träger, ihre eigene Reichweite und Stärke.
Gravitation
Die schwächste, aber universellste Kraft. Sie wirkt auf alles, was Energie besitzt, über beliebige Distanzen — und ist dennoch die einzige Kraft, für die wir keine Quantentheorie haben.
Gravitation ist die einzige der vier Kräfte, die sich im Alltag direkt bemerkbar macht — weil sie immer anziehend ist und über kosmische Distanzen akkumuliert. Elektromagnetismus wäre ebenso reichweitenstark, aber positive und negative Ladungen gleichen sich in der Materie aus.
Im Rahmen des Standardmodells lässt sich die Gravitation nicht quantisieren. Ein Graviton mit Spin 2 wäre der passende Träger, doch die resultierenden Quantenfeldtheorien liefern keine renormierbare Theorie — sie explodieren bei hohen Energien. Das Graviton bleibt hypothetisch; die obere Grenze seiner Masse stammt aus LIGO-Messungen von Gravitationswellen.
Aus diesem Grund suchen Physiker nach einer Theorie der Quantengravitation — Stringtheorie und Schleifen-Quantengravitation sind die bekanntesten Kandidaten, beide ohne experimentellen Nachweis.
Elektromagnetismus
Licht, Chemie, Elektronik — alles elektromagnetisch. Der Austausch masseloser Photonen wirkt unendlich weit und ist verantwortlich für nahezu jede Erscheinung, die wir im Alltag sehen und anfassen.
Der Elektromagnetismus wird durch die Quantenelektrodynamik (QED) beschrieben — die am präzisesten getestete Theorie der Physik. Das magnetische Moment des Elektrons stimmt auf zwölf Dezimalstellen mit der Vorhersage überein.
Das Trägerteilchen, das Photon, ist masselos und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Zwei gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, zwei ungleichnamige ziehen sich an — im Gegensatz zur Gravitation kann der Elektromagnetismus also anziehend und abstoßend wirken, weshalb er in der Materie makroskopisch fast immer kompensiert ist.
Die Feinstrukturkonstante α ≈ 1/137 (dimensionslos) gibt die Stärke der Kopplung an. Ihr Wert ist eines der großen offenen Rätsel der Physik — niemand weiß, warum sie genau diesen Wert hat.
Starke Kraft
Die stärkste Kraft im Universum hält Quarks in Protonen und Neutronen gefangen — und Protonen im Atomkern zusammen. Sie funktioniert nach einem völlig anderen Prinzip als alle anderen Kräfte: Quark-Confinement.
Quarks tragen eine Farbladung (rot, grün, blau — rein symbolisch). Die acht Gluonen übertragen die starke Kraft zwischen ihnen. Entscheidend: Gluonen selbst tragen Farbladung und wechselwirken daher miteinander — anders als Photonen, die keine elektrische Ladung tragen.
Dies führt zum Confinement: Je weiter man zwei Quarks trennt, desto stärker wird die Kraft — wie ein Gummiband. Bei genug Energie reißt das Band, aber statt freier Quarks entstehen sofort neue Quark-Antiquark-Paare. Freie Quarks existieren in der Natur nicht.
Bei sehr kurzen Abständen (sehr hohen Energien) werden Quarks dagegen fast frei — asymptotische Freiheit, wofür Gross, Politzer und Wilczek 2004 den Nobelpreis erhielten.
Schwache Kraft
Die schwache Kraft ist für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich und die einzige Kraft, die die Teilchensorte (Flavour) ändern kann — und die die Parität bricht. Ohne sie würde die Sonne nicht brennen.
Die Trägerteilchen W± und Z⁰ sind mit über 80 GeV/c² extrem massiv — daher die winzige Reichweite (nach Heisenberg). Diese Masse entsteht durch den Higgs-Mechanismus: Das W-Boson koppelt an das Higgs-Feld und erhält so seine Trägheit.
Einzigartig: Das W-Boson kann die Teilchensorte ändern. Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Down-Quark in ein Up-Quark umgewandelt: d → u + W⁻. Das W⁻ zerfällt dann in ein Elektron und ein Antineutrino. So wird im Sonneninnern Wasserstoff zu Helium fusioniert.
Die schwache Kraft verletzt die Parität (Links-Rechts-Symmetrie) maximal — sie koppelt ausschließlich an linkshändige Fermionen. Dies war eine der überraschendsten Entdeckungen der Teilchenphysik (Wu-Experiment, 1956).