Grundkräfte der Physik

Die Grundkräfte der Physik sind die Kräfte, die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen. Die Physik kennt vier Grundkräfte, die starke Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die Gravitation. Versuche, das Wirken einer Fünften Kraft nachzuweisen, sind bisher misslungen.

Im Rahmen der klassischen Physik wurden die Kraftgesetze für die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung als Axiome betrachtet. In der Quantenfeldtheorie dagegen werden alle vier Kräfte auf den Austausch von virtuellen Bosonen zurückgeführt. Dies gelingt für die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung (Standardmodell), eine konsistente Quantenfeldtheorie der Gravitation (Quantengravitation) existiert hingegen noch nicht.

Die Stärken dieser vier Grundkräfte nähern sich mit zunehmender kinetischer Energie der Teilchen, zwischen denen sie wirken, einander an. Man geht davon aus, dass alle vier Grundkräfte bei den extrem hohen Energien, wie sie unmittelbar nach dem Urknall vorherrschten, gleich stark waren.

Starke Wechselwirkung

bindet alle Hadronen (Baryonen und Mesonen), also Teilchen die aus Quarks aufgebaut sind, aneinander und ist indirekt verantwortlich für den Zusammenhalt der Atomkerne (die Kernkraft stellt nur eine Restwechselwirkung der eigentlichen starken Kraft dar, äquivalent zur Van-der-Waals-Wechselwirkung in Molekülen)
sehr kurze Reichweite von 2,5·10⁻¹⁵ m, da die zugehörige Farbladung auf größere Distanzen nicht "nackt" auftritt (siehe Confinement)
stärkste aller bekannten Wechselwirkungen
Überträgerteilchen sind die Gluonen

Elektromagnetische Wechselwirkung

verantwortlich für die meisten alltäglichen Phänomene (Licht, Elektrizität und Magnetismus, Chemie, Festkörpereigenschaften, ...)
unendliche Reichweite (allerdings kompensieren sich üblicherweise positive und negative Ladungen recht exakt)
kann anziehend oder abstoßend wirken, je nach Vorzeichen der beteiligten Ladungen
im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10⁻²-mal so stark
Überträgerteilchen ist das Photon

Schwache Wechselwirkung

verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse (z. B. Betazerfall), aber auch wichtig beim Kernfusionsprozess in der Sonne
sehr kurze Reichweite von 10⁻¹⁸ m aufgrund massiver Überträgerteilchen
im Vergleich zur starken Wechselwirkung 10⁻¹³-mal so stark
Überträgerteilchen sind die Bosonen Z⁰, W⁺ und W⁻

Gravitation

dominiert die großräumigen Strukturen des Universums, da nicht abschirmbar (wirkt immer anziehend)
unendliche Reichweite
schwächste aller Wechselwirkungen, im Vergleich zur starken Wechselwirkung nur 10⁻³⁸-mal so stark
postuliertes, bislang nicht nachgewiesenes Überträgerteilchen ist das Graviton
postulierte Wirkung durch alle 10 in der Stringtheorie postulierten, bislang nicht nachgewiesenen, Raumdimensionen

Die Grundkräfte tabellarisch:

Grundkraft	Überträgerteilchen	Masse (GeV/c²)	relative Stärke	Reichweite (m)	Abstands- wirkung (Kraft)	Potentialverlauf
Starke	8 Gluonen	0	1	2,5·10⁻¹⁵	1/r⁷	$\alpha \frac{1}{r} + \beta r$
Elektromagnetische	Photon	0	10⁻² [1]	∞	1/r²	1/r
Schwache	W⁺, W⁻, Z⁰	80, 80, 91	10⁻¹³	10⁻¹⁸	1/r⁵ bis 1/r⁷	$δ(r)$
Gravitation	Graviton? (postuliert)	0	10⁻³⁸	∞	1/r²	1/r

[1] Siehe dazu Feinstrukturkonstante.

Vereinheitlichende Theorien

Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte oder Wechselwirkungen in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Damit könnte es möglich sein, alle bekannten Kräfte auf eine einzige Grundkraft zurückzuführen. Man spricht hier von vereinheitlichten Theorien. Die Theorie, die alle vier bekannten Grundkräfte berücksichtigt, wird die Weltformel oder Theory of Everything (TOE) genannt.

Als große vereinheitlichte Theorie oder Grand Unification Theory (GUT) bezeichnet man eine Theorie, die drei der vier bekannten physikalischen Grundkräfte vereinigen würde, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung.

Beispielsweise ist die elektromagnetische Wechselwirkung eine Vereinheitlichung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung. Ebenso ist es gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht zu beschreiben. Es handelt sich daher nach dem gegenwärtigen Stand unseres Wissens streng genommen nur um drei verschiedene und voneinander unabhängige Grundkräfte.

Die folgende Tabelle beschreibt dieses Verhältnis verschiedener Grundkräfte zueinander und die den Grundkräften zugeordnete Theorienhierarchie der Physik:

Elektrostatik	Magnetostatik	Schwache Wechselwirkung	Starke Wechselwirkung	Gravitation
Elektromagnetische Wechselwirkung
Quantenelektrodynamik			Quantenchromodynamik	Allgemeine Relativitätstheorie
Elektroschwache Wechselwirkung
Große vereinheitlichte Theorie
Quantengravitation oder Weltformel