Die vier Grundkräfte der Natur

Vom Gehen auf der Straße über das Starten einer Rakete in den Weltraum bis hin zum Aufkleben eines Magneten auf Ihren Kühlschrank wirken überall physische Kräfte um uns herum. Aber alle Kräfte, die wir jeden Tag erleben (und viele, von denen wir nicht wissen, dass wir sie jeden Tag erleben), können auf nur vier grundlegende Kräfte reduziert werden:

1. Schwerkraft.
2. Die schwache Kraft.
3. Elektromagnetismus.
4. Die starke Kraft.

Diese werden die vier Grundkräfte der Natur genannt, und sie regieren alles, was im Universum geschieht.,

Die Schwerkraft

Die Schwerkraft ist die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten mit Masse oder Energie, unabhängig davon, ob ein Stein von einer Brücke gefallen ist, ein Planet umkreist einen Stern oder den Mond verursacht Gezeiten. Die Schwerkraft ist wahrscheinlich die intuitivste und bekannteste der Grundkräfte, aber es war auch eine der schwierigsten zu erklären.

Isaac Newton war der erste, der die Idee der Schwerkraft vorschlug, angeblich inspiriert von einem Apfel, der von einem Baum fiel. Er beschrieb die Schwerkraft als eine wörtliche Anziehung zwischen zwei Objekten., Jahrhunderte später schlug Albert Einstein durch seine allgemeine Relativitätstheorie vor, dass die Schwerkraft keine Anziehung oder Kraft ist. Stattdessen ist es eine Folge von Objekten, die Raum-Zeit biegen. Ein großes Objekt arbeitet auf Raum-Zeit ein bisschen wie, wie eine große Kugel in der Mitte eines Blattes platziert wirkt sich auf das Material, verformt es und verursacht andere, kleinere Objekte auf dem Blatt in Richtung der Mitte fallen.

Obwohl die Schwerkraft Planeten, Sterne, Sonnensysteme und sogar Galaxien zusammenhält, erweist sie sich insbesondere auf molekularer und atomarer Ebene als die schwächste der Grundkräfte., Stellen Sie sich das so vor: Wie schwer ist es, einen Ball vom Boden zu heben? Oder um deinen Fuß zu heben? Oder zu springen? All diese Aktionen wirken der Schwerkraft der gesamten Erde entgegen. Und auf molekularer und atomarer Ebene hat die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen Grundkräften fast keine Wirkung.

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Die schwache Kraft

Die schwache Kraft, auch schwache Kerninteraktion genannt, ist für den Teilchenzerfall verantwortlich. Dies ist die wörtliche Veränderung eines subatomaren Teilchentyps in einen anderen., So kann zum Beispiel ein Neutrino, das in der Nähe eines Neutrons liegt, das Neutron in ein Proton verwandeln, während das Neutrino zu einem Elektron wird.

Physiker beschreiben diese Wechselwirkung durch den Austausch krafttragender Teilchen, sogenannte Bosonen. Spezifische Arten von Bosonen sind verantwortlich für die schwache Kraft, elektromagnetische Kraft und starke Kraft. In der schwachen Kraft sind die Bosonen geladene Teilchen, die W – und Z-Bosonen genannt werden. Wenn subatomare Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen innerhalb von 10^-18 Metern oder 0,1% des Durchmessers eines Protons voneinander kommen, können sie diese Bosonen austauschen., Infolgedessen zerfallen die subatomaren Teilchen laut der Hyperphysik-Website der Georgia State University in neue Teilchen.

Die schwache Kraft ist entscheidend für die Kernfusionsreaktionen, die die Sonne antreiben und die Energie produzieren, die für die meisten Lebensformen hier auf der Erde benötigt wird. Es ist auch der Grund, warum Archäologen Kohlenstoff-14 verwenden können, um alte Knochen, Holz und andere früher lebende Artefakte zu datieren. Kohlenstoff-14 hat sechs Protonen und acht Neutronen; Eines dieser Neutronen zerfällt in ein Proton, um Stickstoff-14 zu bilden, das sieben Protonen und sieben Neutronen hat., Dieser Zerfall geschieht mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit, so dass Wissenschaftler bestimmen können, wie alt solche Artefakte sind.

Elektromagnetische Kraft

Die elektromagnetische Kraft, auch Lorentz-Kraft genannt, wirkt zwischen geladenen Teilchen wie negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an, während ähnliche Ladungen abstoßen. Je größer die Ladung, desto größer die Kraft. Und ähnlich wie die Schwerkraft kann diese Kraft aus unendlicher Entfernung gefühlt werden (obwohl die Kraft in dieser Entfernung sehr, sehr klein wäre).,

Wie der Name schon sagt, besteht die elektromagnetische Kraft aus zwei Teilen: der elektrischen Kraft und der magnetischen Kraft. Zuerst beschrieben Physiker diese Kräfte als voneinander getrennt, aber die Forscher stellten später fest, dass die beiden Komponenten derselben Kraft sind.

Die elektrische Komponente wirkt zwischen geladenen Teilchen, egal ob sie sich bewegen oder stehen, und erzeugt ein Feld, durch das sich die Ladungen gegenseitig beeinflussen können. Sobald diese geladenen Teilchen in Bewegung gesetzt sind, beginnen sie jedoch, die zweite Komponente, die magnetische Kraft, anzuzeigen., Die Teilchen erzeugen ein Magnetfeld um sie herum, während sie sich bewegen. Wenn Elektronen beispielsweise durch ein Kabel zoomen, um Ihren Computer oder Ihr Telefon aufzuladen oder Ihren Fernseher einzuschalten, wird das Kabel magnetisch.

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Elektromagnetische Kräfte werden zwischen geladenen Teilchen durch den Austausch von masselosen, krafttragenden Bosonen übertragen, die Photonen genannt werden, die auch Teilchenkomponenten von Licht sind. Die krafttragenden Photonen, die zwischen geladenen Teilchen wechseln, sind jedoch eine andere Manifestation von Photonen., Sie sind virtuell und nicht nachweisbar, obwohl sie technisch die gleichen Partikel wie die reale und nachweisbare Version sind, so die University of Tennessee, Knoxville.

Die elektromagnetische Kraft ist für einige der am häufigsten auftretenden Phänomene verantwortlich: Reibung, Elastizität, die Normalkraft und die Kraft, die Feststoffe in einer bestimmten Form zusammenhält. Es ist sogar verantwortlich für den Widerstand, den Vögel, Flugzeuge und sogar Superman während des Fluges erleben. Diese Aktionen können auftreten, weil geladene (oder neutralisierte) Teilchen miteinander interagieren., Die normale Kraft, die ein Buch auf einem Tisch hält (anstatt dass die Schwerkraft das Buch auf den Boden zieht), ist beispielsweise eine Folge von Elektronen in den Atomen des Tisches, die Elektronen in den Atomen des Buches abstoßen.

Die starke Kernkraft

Die starke Kernkraft, auch starke Kerninteraktion genannt, ist die stärkste der vier Grundkräfte der Natur. Es ist 6 Tausend Billionen Billionen Billionen Billionen (das sind 39 Nullen nach 6!) mal stärker als die Schwerkraft, nach der HyperPhysics website. Und das ist, weil es die grundlegenden Teilchen der Materie zusammen bindet, um größere Teilchen zu bilden., Es hält die Quarks zusammen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, und ein Teil der starken Kraft hält auch die Protonen und Neutronen des Atomkerns zusammen.

Ähnlich wie die schwache Kraft wirkt die starke Kraft nur, wenn subatomare Teilchen extrem nahe beieinander liegen. Laut der HyperPhysics-Website müssen sie sich irgendwo innerhalb von 10^-15 Metern voneinander oder ungefähr innerhalb des Durchmessers eines Protons befinden.

Die starke Kraft ist jedoch seltsam, da sie im Gegensatz zu anderen fundamentalen Kräften schwächer wird, wenn sich subatomare Teilchen näher zusammen bewegen., Laut Fermilab erreicht es tatsächlich die maximale Stärke, wenn die Partikel am weitesten voneinander entfernt sind. Sobald sie sich in Reichweite befinden, übertragen masselose geladene Bosonen, sogenannte Gluonen, die starke Kraft zwischen Quarks und halten sie „zusammengeklebt“. Ein winziger Bruchteil der starken Kraft, die als starke Restkraft bezeichnet wird, wirkt zwischen Protonen und Neutronen. Protonen im Kern stoßen sich aufgrund ihrer ähnlichen Ladung ab, aber die verbleibende starke Kraft kann diese Abstoßung überwinden, so dass die Teilchen im Kern eines Atoms gebunden bleiben.,

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Unifying nature

Die offene Frage der vier Grundkräfte ist, ob sie tatsächlich Manifestationen einer einzigen großen Kraft des Universums sind. Wenn ja, sollte jeder von ihnen in der Lage sein, mit den anderen zu verschmelzen, und es gibt bereits Beweise dafür.,

Die Physiker Sheldon Glashow und Steven Weinberg von der Harvard University mit Abdus Salam vom Imperial College London gewannen 1979 den Nobelpreis für Physik für die Vereinigung der elektromagnetischen Kraft mit der schwachen Kraft, um das Konzept der elektroschwachen Kraft zu bilden. Physiker, die daran arbeiten, eine sogenannte Grand Unified Theory zu finden, zielen darauf ab, die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft zu vereinen, um eine Elektronenkernkraft zu definieren, die Modelle vorhergesagt haben, die Forscher jedoch noch nicht beobachtet haben., Das letzte Puzzleteil würde dann die Vereinigung der Schwerkraft mit der Elektronenkernkraft erfordern, um die sogenannte Theorie von allem zu entwickeln, einen theoretischen Rahmen, der das gesamte Universum erklären könnte.

Physiker haben es jedoch ziemlich schwierig gefunden, die mikroskopische Welt mit der makroskopischen Welt zu verschmelzen. Auf großen und insbesondere astronomischen Skalen dominiert die Schwerkraft und wird am besten durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Aber auf molekularer, atomarer oder subatomarer Ebene beschreibt die Quantenmechanik am besten die natürliche Welt., Und bisher hat niemand einen guten Weg gefunden, diese beiden Welten zu verschmelzen.

Physiker, die die Quantengravitation untersuchen, zielen darauf ab, die Kraft in Bezug auf die Quantenwelt zu beschreiben, was bei der Zusammenführung helfen könnte., Grundlegend für diesen Ansatz wäre die Entdeckung von Gravitonen, dem theoretischen krafttragenden Boson der Gravitationskraft. Die Schwerkraft ist die einzige fundamentale Kraft, die Physiker derzeit beschreiben können, ohne krafttragende Teilchen zu verwenden. Aber weil Beschreibungen aller anderen fundamentalen Kräfte krafttragende Teilchen erfordern, erwarten Wissenschaftler, dass Gravitonen auf der subatomaren Ebene existieren müssen-Forscher haben diese Teilchen einfach noch nicht gefunden.

Die Geschichte wird durch das unsichtbare Reich der dunklen Materie und der dunklen Energie, die etwa 95% des Universums ausmachen, noch komplizierter., Es ist unklar, ob dunkle Materie und Energie aus einem einzelnen Teilchen oder einer ganzen Reihe von Teilchen bestehen, die ihre eigenen Kräfte und Boten-Bosonen haben.

Das primäre Messenger-Teilchen von aktuellem Interesse ist das theoretische dunkle Photon, das Wechselwirkungen zwischen dem sichtbaren und dem unsichtbaren Universum vermitteln würde. Wenn dunkle Photonen existieren, wären sie der Schlüssel zur Entdeckung der unsichtbaren Welt der Dunklen Materie und könnten zur Entdeckung einer fünften fundamentalen Kraft führen., Bisher gibt es jedoch keine Beweise dafür, dass dunkle Photonen existieren, und einige Forschungen haben starke Beweise dafür geliefert, dass diese Teilchen nicht existieren.