Teilchenphysik

Was verstehen wir unter dem Begriff Wechselwirkung?

Physikalische Phänomene erklärt das Standardmodell durch Wechselwirkungen. Nach dem aktuellen Stand der Forschung kennen wir genau vier verschiedene Wechselwirkungen: Die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Mit diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen könnten wir alle Phänomene und alle Prozesse, die wir bisher auf der Erde oder im Weltall beobachtet haben, beschreiben.

Über die Gravitation wechselwirkt zum Beispiel ein Apfel mit der Erde, Apfel und Erde treten in Wechselwirkung. Beim Betazerfall⁽¹⁾ wandeln sich Teilchen ineinander um, auch das passiert, weil Teilchen miteinander wechselwirken, in diesem Fall über die sogenannte schwache Wechselwirkung. Eigentlich stoßen sich die elektrisch positiv geladenen Protonen im Atomkern als Folge der elektromagnetischen Wechselwirkung ab. Dass der Atomkern dennoch zusammenhält, liegt an der starken Wechselwirkung, die u. a. für Anziehungskräfte zwischen den Kernbausteinen verantwortlich ist. Eine Wechselwirkung kann man unter anderem durch Kräfte charakterisieren. Keinesfalls darf man aber die Begriffe Wechselwirkung und Kraft gleichsetzen, denn der Begriff der Wechselwirkung ist viel allgemeiner. Im Folgenden verwenden wir daher nur noch den Begriff Wechselwirkung.

Kennt man die vier fundamentalen Wechselwirkungen, dann kann man die lange Liste an Kräften und physikalischen Phänomenen, die man im Laufe des Physikunterrichts kennenlernt, erheblich verkürzen. Das ist ganz im Sinne des Prinzips der Vereinfachung.

Standardmodell beschreibt drei der vier Wechselwirkungen

Die Theorie des  Standardmodells der Teilchenphysik beschreibt drei der vier Wechselwirkungen. Die Gravitation spielt für einzelne Teilchen wegen ihrer kleinen Massen keine Rolle. Die wichtige Erkenntnis ist dabei, dass zu jeder Wechselwirkung eine eigene Ladung gehört, die sie generiert. Besitzt ein Teilchen diese Ladung, so unterliegt es der zugehörigen Wechselwirkung, ist die Ladung Null, so unterliegt es der jeweiligen Wechselwirkung nicht. Die Grundidee des Standardmodells ist also: Wechselwirkungen werden von Ladungen generiert, deren Wert angibt, wie sensitiv ein Teilchen für diese bestimmte Wechselwirkung ist: Ein zweifach elektrisch positiv geladener Heliumkern wird von einem Elektron z.B. doppelt so stark elektrisch angezogen, wie ein einfach elektrisch positiv geladenes Proton. Ein Neutron wird von einem Elektron elektrisch gar nicht angezogen, weil das Neutron keine Elektrische Ladung trägt, allerdings tragen beide eine schwache Ladung, so dass zwischen ihnen schwache Wechselwirkung stattfinden kann.

⁽¹⁾ Beim "Betazerfall" handelt es sich in Wirklichkeit nicht um einen Zerfall von Teilchen, sondern um eine Umwandlung von Teilchen. Man sollte also besser von "Betaumwandlung" sprechen. Aus historischen Gründen spricht man aber vom Betazerfall, wir werden uns an diese Sprechweise halten.

Übersicht über die fundamentalen Wechselwirkungen

In der folgenden Tabelle sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen übersichtlich zusammengestellt. Wenn du mehr erfahren möchtest, so klicke auf die verschiedenen Links.