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Kräfte und Grundkräfte

Die Macht der „Viererbande“

Ob Elektrizität, Reibung oder mechanische Kraft - unser Alltag ist von der Wirkung von Kräften geprägt. © urfinguss/ thinkstock

Ob wir einen Ball fallen lassen, ein Elektrogerät anschalten oder von einem Stuhl aufstehen – die Wirkung von Kräften begegnet uns überall in unserem Alltag. Immer dann, wenn sich Objekte gegenseitig beeinflussen, sei es durch Anziehung, Abstoßung, Reibung oder Widerstand, ist eine Kraft im Spiel. Kräfte steuern und beeinflussen alle Prozesse im Universum und wirken vom kleinsten Teilchen bis in die Weiten des Alls.

Doch so vielfältig die Kräfte und ihre Wirkungen erscheinen: Heute weiß man, dass sie sich alle auf nur vier Grundkräfte zurückführen lassen – zumindest nach gängiger Theorie. Zu diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen gehören die Gravitation, der Elektromagnetismus sowie die schwache und die starke Kernkraft. Einzeln oder zusammen wirkend bringen sie all die Effekte hervor, die unsere Welt und den gesamten Kosmos prägen.

Die Gravitation bestimmt die Bahnen von Himmelskörpern und bewirkt die Erdanziehung. © NASA

Gravitation und Elektromagnetismus

Die Gravitation ist die Grundkraft, die am frühesten identifiziert und beschrieben wurde. Isaac Newton beschrieb schon im 17. Jahrhundert ihren Einfluss auf Massen und auf Planeten und andere Himmelskörper. Dass auch zwei Objekte alltäglicher Größe eine Anziehung aufeinander ausüben, bewies der Ende des 18. Jahrhunderts der britische Chemiker Henry Cavendish. Erst Albert Einstein jedoch legte vor gut hundert Jahren mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie den Grundstein für unser heutiges Verständnis der Gravitation als einer Folge der Geometrie der Raumzeit.

Für uns unmittelbar im Alltag erfahrbar ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Erst durch sie fließt Strom, finden chemische Reaktionen statt oder wirken Magneten. Diese Grundkraft sorgt aber auch dafür, dass Atome und Moleküle durch die Ladung ihrer Teilchen zusammenhalten. Erst durch sie ist der Boden unter unseren Füßen tragfähig und feste Körper können entstehen.

Die starke Kernkraft hält die Quarks im Proton und Neutron zusammen, Trägerteilchen sind Gluonen. © Podbregar

Die beiden Kernkräfte

Die beiden restlichen Grundkräfte wurden erst identifiziert, als Wissenschaftler begannen, die Zusammensetzung des Atoms und sein Verhalten zu enträtseln. Denn beide wirken nur in seinem Inneren. Die starke Wechselwirkung ist die Kraft, die die Quarks im Innern von Protonen und Neutronen zusammenhält und die Atomkerne überhaupt erst stabil macht. Denn sie sorgt dafür, dass sich die Protonen im Atomkern trotz ihrer positiven Ladungen nicht abstoßen, sondern zusammenhalten.

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Die schwache Kernkraft ist der große Wandler: Sie sorgt nicht für Stabilität, sondern wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen. Erst durch sie ist beispielsweise die Umwandlung von Protonen zu Neutronen möglich, wie sie bei bestimmten radioaktiven Betazerfällen oder bei der Wasserstofffusion im Herzen der Sonne vorkommen. Dabei wandelt sich ein Up-Quark im Proton in ein Down-Quark um und gibt dabei ein Positron und ein Neutrino ab.

So weit die Effekte der vier Grundkräfte. Aber wodurch wirken sie?

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Nadja Podbregar
Stand: 28.07.2017

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die großen Vier
Den Grundkräften der Physik auf der Spur

Die Macht der "Viererbande"
Kräfte und Grundkräfte

Im Reich der Bosonen
Jeder Kraft sein Teilchen - theoretisch

Problemfall Gravitation
Warum die Schwerkraft nicht ins Schema passt

Wo Einstein scheiterte
Die Suche nach der Einheitlichen Feldtheorie

Gibt es die "Weltformel"?
Große Hoffnung und viele Fehlschläge

Diaschauen zum Thema

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Erster Nachweis von Gravitationswellen
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„Buckel“ in Tevatron-Daten deutet auf Existenz unbekannten Teilchens oder Wechselwirkung hin

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Als die Atome Schalen bekamen - 100 Jahre Bohrsches Atommodell

Das Mysterium der Masse - Die Suche nach dem Higgs-Teilchen

Wie relativ ist die Zeit? - Auf der Suche nach Einsteins Zeitdehnung

Albert Einstein - Wie die Zeit relativ wurde und die vierte Dimension entstand

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