Fundamentale Wechselwirkungen
Formel
Fundamentale Wechselwirkungen
Ursprünglich waren die elektrische und die magnetische Wechselwirkung getrennt, doch mit den 4 Maxwell Gleichungen gelang es diese beiden Wechselwirkungen zur elektromagnetischen Wechselwirkung zusammen zu fassen.
Heute beschreiben die 4 fundamentalen Wechselwirkungen, wie physikalische Objekte einander beeinflussen können. Bei den 4 Wechselwirkungen handelt es sich um die Gravitation, die starke und die schwache Wechselwirkung sowie um die elektromagnetische Wechselwirkung.
Zwischenzeitlich ist es im Rahmen des Standardmodells der Elementarteichen gelungen, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung zusammen zu fassen, sodass man eigentlich aktuell nur mehr von 3 fundamentalen Wechselwirkungen sprechen müsste.
Eine Sonderstellung hat der Higgs Mechanismus. Er hat zwar so wie die 4 Wechselwirkungen auch ein eigenes Quant als Austauschteilchen, nämlich das Higgs Boson und er hat auch ein eigenes Feld, nämlich das Higgs-Feld, da er aber durch die elektroschwache Theorie beschrieben wird, spricht man hier von einem Mechanismus und nicht von einer 5. Wechselwirkung.
Heute arbeiten die Wissenschaftler an der Grand Unified Theory (GUT) welche die elektroschwache mit der starken Wechselwirkung vereinheitlichen soll. Der nächste und letzte Schritt müsste auch noch die Gravitation mit der GUT verbinden, das wäre dann die sogenannte Theory of Everything (ToE), eine Theorie der Quantengravitation. Kandidaten dafür sind die Stringtheorie und die M-Theorie.
Wichtig ist zu verstehen, dass die physikalische Vereinheitlichung dieser Wechselwirkungen an Temperaturen jenseits von 1028 K bzw. an Energien jenseits von 1016 GeV gebunden sind. Zum Vergleich, der LHC vom Cern erreicht gerade mal 1,3.104 GeV und müßte somit noch eine Billion Mal energiereicher werden, um diese Temperaturen von unmittelbar nach dem Urknall zu simulieren.
Die fundamentalen Wechselwirkungen und der Higgs-Mechanismus
Ein Feld ist eine Energieform, die den Raum erfüllt. Felder können sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten, wobei ihre Dynamik durch Feldgleichungen beschrieben wird.
Unterscheidung der 5 Felder nach ihrem Rang:
- Skalarfeld (Tensor vom Rang 0)
- Higgs Feld
- Higgs Feld
- Vektorfelder (Tensor vom Rang 1)
- Elektromagnetisches Feld
- Feld der schwachen Wechselwirkung
- Feld der starken Wechselwirkung
- Tensorfeld (Tensor vom Rang >1)
- Gravitationsfeld
Die Austauschteilchen (Quanten) der 4 fundamentalen Wechselwirkungen und vom Higgs-Mechanismus
Unterscheidung der 5 Felder nach ihrem Wirkungsradius
Makrokosmos
-
- Gravitation - Graviton (postuliert, nicht experiementell nachgewiesen)
- elektromagnetische Wechselwirkung - Photon
Mikrokosmos
-
- schwache Wechselwirkung - W+, W- und Z0 Bosonen
- starke Wechselwirkung - Gluonen
- Higgs Mechanismus - Higgs Boson
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Wissenspfad
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