Wecheselwirkungen allgemein:
Kurze Übersicht
WW Teilchen Ruheenergie Reichweite Kpplungstärke Reaktionszeit
Grav. Graviton 0 unendlich 2*10^-39 1000 Mrd. a
superstarke X-Boson 10^15 GeV 2*10^-16fm ------ -------
schwache W0-Boson ------ ------- 5*10^-14 10^-8s
E-M Photon 0 unendlich 0,0073 10^-19s
E-schw. W/Z-Bos. 81/97 GeV 0,002 fm ------- ---------
starke Meson 140 GeV 1,4 fm 5*10^38 10^-23s
Die superstarke und elektroschwache Wechselwirkung treten nur in extremen Fällen auf. Zum Beispiel bei der Beschreibung des Urknalls. Hier versucht man mit einer vereinheitlichten Theorie alle Grundkräfte, die ja die Wechselwirkungen sind, in einer Grundkraft zu vereinen. Das ist zu einem bestimmten Teil schon gelungen. Im Abschnitt Urknall wird noch genauer darauf eingegangen. Die elektrische und magnetische Kraft wurden bereits zu Ende des 20. Jahrhunderts zur elektromagnetischen Kraft zusammengefasst. Einstein prägte den Begriff der Wechselwirkung. Er war der erste der eine Feldtheorie verwendete und die bis dahin statischen Felder wurden durch WW beschrieben. Bis jetzt hat man diese WW für alle, bis auf die Gravitationskraft, nachweisen können. Die Gravitation ist die einzige Kraft die noch mit einem statischen Feld beschrieben wird. Jedoch arbeitet man auch in weiten Teilen der Elektrodynamik mit statischen Feldern, da dies wesentlich einfacher geht. Die Kernkraft, welche ja zur starken WW gehört, erzielt auch bei statischer Betrachtung der Felder gute Ergebnisse. Das besondere bei den WW ist nun, dass hier die Kraft durch ein sogenanntes Austausch – oder Wechselwirkungsteilchen übertragen wird. Das einfachste Beispiel können wir uns in einem Atom vorstellen. Hier sind Elektronen an Protonen gebunden. Sie tauschen Photonen aus und unterliegen somit der elektromagnetischen WW. Wir können an dieser Stelle eine Brücke zur Gravitation schlagen. Die Gravitation ist, ebenso wie die elektromagnetische WW, eine WW mit unendlicher Reichweite und sagt somit ein Wechselwirkungsteilchen mit der Ruhemasse 0 voraus, wie wir es beim Photon haben. Dieses Teichen, das sogenannte Graviton, ist bis jetzt (2007) rein hypothetischer Natur aber aufgrund der Wechselwirkungstheorie erforderlich. Bei der Gravitation geht man bis jetzt davon aus, dass die Masse ein statisches Feld erzeugt. Wird dieses Feld nun bewegt, wird ein dazu senkrecht stehendes Feld (Tensorfeld) erzeugt. Bei ausreichend hoher Geschwindigkeit hofft der Astronom oder Astrophysiker ein Feld vorzufinden, welches genügend stark ist um Gravitonen bzw. Gravitationswellen zu erzeugen. Diese Geschwindigkeiten können unter anderem in Doppelsternsystem oder bei der Kontraktion von Sternen zu Schwarzen Löchern auftreten. Die Vereinheitlichung der elektromagnetischen Kraft ist aufgrund ihrer gemeinsamen Bestimmtheit gegeben. Erzeugt man einen Strom, also eine Bewegte Ladung, so erzeugt diese wiederum ein Magnetfeld um den stromführenden Leiter. Erzeugt man ein Magnetfeld und bewegt diesen relativ zu einem Leiter, so wird im Leiter ein Strom erzeugt. Man spricht, ein Magnetfeld oder ein Strom wird induziert. Das Induktionsgesetz beschreibt also, unter welchen Bedingungen eine Spannung in einer Spule oder in einem Leiter vorhanden ist. Diese Induktionsspannung entsteht durch Änderung
- der Magnetfeldstärke (Flussdichte) B, Transformatorprinzip
- der vom Feld senkrecht durchsetzten Fläche A, Generatorprinzip
-
Die Reichweitern r der WW ist durch folgende Gleichung gegeben:
r=h/m0c=hc/E0=197,33MeV/E0
E0 = Ruheenergie, m0 = Ruhemasse, r in fm
Weiter ist die Reaktionszeit t durch die folgende Gleichung gegeben:
lg t proportional 1/lg k
k = Kopplungsstärke
Die
- starke WW wird durch die Quantenchromodynamik
- schwache WW wird durch das Glashow-Weinberg-Salam-Modell
- elektromagnetische WW durch die Quantenelektrodynamik
beschrieben.
1980 hat Alan H. Guth die Grand Unified Theories veröffentlicht. Sie vereinigen die drei oberen Theorien und erlaugben folgende Folgerungen:
Das sich die Gravitation aus einem Raum-Zeit-Materie-Schaum bei einer Temperatur von T = 10^32 K und auch die superstarke WW (X-Boson) entstanden. Bei T = 10^27 K brach die SSWW in die starke WW (Gluonen, Mesonen) und in die E-schwache-WW (W/Z-Bosonen) auf. Die E-schwache-WW barch bei T = 10^15 K in die schwache WW (W-Bosonen) und in die E-M-WW (Photonen) auf. Die SSWW und die E-schwache-WW existieren Heute selbstverständlich nicht mehr. Nachweisen konnte man bisher nur die theoretische Vereinigung von E-M-WW und schwacher WW. Man konnte hierzu die entsprechenden WW-Teilchen in CERN und in DESY nachweisen. Der Nachweis des X-Bosons fehlt noch. Seit Einstein versucht man all diese Theorien zu einer Theory of everything zusammenzufügen. Deshalb entwickelte sich die M-Theorie, die ihrerseits wieder aus 5 Stringtheorien besteht. Der mathematische Aufwand dieser ST verwährt jedoch manchen Forschern den Blick auf diese. Jede dieser ST stellt einen eigenen Grenzfall dar. Sie benötigen alle jedoch 10 weiter Dimensionen und die mathematischen Calaby-Jau-Räume. Von diesen C-J-R gibt es mathematisch gesehen unedlich viele, jedoch konnte die Forschung sich auf ca. 10 000 beschränken. Wegen der umfänglichen Rechnungen suchen viele Wissenschaftler nach einer Alternative, die sie in der Quantenschleifen-Gravitation (Loop-Quantengravitation) gefunden zu haben glauben. Hier sind die wichtigsten Parameter die Plankzeit und Planklänge. Der Quantenzustand des Raumes ist hier ein "Schaum" aus Knoten und Linien, die durch Hinzunahme der Zeit zu einer Fläche werden (Spin-Schaum der Raumzeit). Die uns als kontinuierlich bekannte Raumzeit wird somit im Mikrokosmos diskret. Sie wächst in Sprüngen der Plankzeit und räumliche Bewegung ist nur in Sprüngen der Planklänge möglich. Außerdem sagt sie, dass durch die extremen Zustände des Urknalls, die Gravitation zu einer Abstoßenden Kraft wird. Sie kann die Hawking-Strahlung, die Gravitationswellen in einem flachen Kosmos und eine positive Kosmologische Konstante erklären. Weiterhin ist die dispersiver Lichtgeschwindigkeit ein Resolutium.