Fundamentalkräfte

Es existieren vier fundamentale Wechselwirkungen:

Jede dieser Kräfte wird durch den Austausch eines bestimmten Teilchens vermittelt. Wenn eine Wechselwirkung stattfindet, werden diese Teilchen erzeugt, ausgetauscht und verschwinden wieder.

Wechselwirkung Austauschteilchen Reichweite Relative Stärke Ruhemasse
Stark
Gluonen (8)
10-15 m
1

0

Elektromagnetisch
Photon
unendlich
10-2
0
Schwach
W+, W-, Z0
10-18 m
10-5
80, 80, 91 GeV
Gravitation
Graviton
unendlich
10-38
0

Diese Teilchenerzeugung scheint den Energieerhaltungssatz zu verletzen. Auf extrem kurzen Zeitskalen ergibt sich jedoch nach der Heisenbergschen Unschärferelation,

E · t   >   h / 2   =  

eine große Unsicherheit in der vorhandenen Energiemenge.

Daher werden die ausgetauschten Teilchen auch virtuelle Teilchen genannt. Die Austauschteilchen jeder dieser Fundamentalkräfte unterscheiden sich in ihrer Masse. Je größer die Masse des Austauschteilchens ist, desto kürzer ist die Zeit, die es existieren kann. Daher werden massereiche Austauschteilchen kurzreichweitige Kräfte vermitteln. Dagegen besitzt das Photon, das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, keine Masse, und daher ist die Reichweite der elektromagnetischen Wechselwirkung unendlich. Die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung, die "Weakonen" W+/- und Z0, haben Massen von 80 bzw. 91 GeV. Daher ist die schwache Wechselwirkung äußerst kurzreichweitig. Das Graviton konnte bisher noch nicht beobachtet werden.

Wir haben in der obigen Tabelle auch die Stärke der verschiedenen Wechselwirkungen relativ zur starken Wechselwirkung angegeben. Die relative Stärke von elektromagnetischer Wechselwirkung und Gravitation hatten wir ja bereits berechnet.

Wir sollten an dieser Stelle auch erwähnen, daß die Trennungslinie zwischen den verschiedenen Wechselwirkungen nicht ganz so scharf ist, wie dies nach dem bisher Gesagten scheint. So wurde z.B. in den 60er Jahren gezeigt, daß die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung vereinheitlicht werden können. Weinberg, Glashow und Salam erhielten dafür den Nobelpreis in Physik. Diese vereinheitlichte Theorie sagte die Existenz der W+/- und Z0-Bosonen voraus, die in den 80er Jahren am europäischen CERN-Labor bei Genf gefunden wurden. Theorien für die Vereinigung der anderen Wechselwirkungen mit der elektroschwachen Wechselwirkung existieren auch, allerdings konnte noch kein direkter experimenteller Beweis gefunden werden.