Im Standardmodell der Elementarteilchen werden Kräfte durch Teilchen übertragen. Wie man sich diese Kraftübertragung vorstellen kann, möchte ich hier nach ein paar historischen Bemerkungen erklären. Zum Schluß dieser Seite werde ich noch ein klassisches Experiment schildern, das zeigt, dass der Gedanke Kräfte durch Teilchen zu übertragen gar nicht so ungewöhnlich ist.
Zur Zeit von Isaac Newton hat man über zwei Möglichkeiten Kräfte zu übertragen nachgedacht: Die Nahwirkung und die Fernwirkung.
In Newtons Gravitationstheorie scheint die Kraft durch die Entfernung zu wirken. Die Kraft, die zwei Körper (z.B. Mond und Erde) aufeinander ausüben hängt von deren Entfernung voneinander ab. Die Körper scheinen also zu wissen, wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Vorstellung ist ziemlich unbefriedigend, weil es schwer vorstellbar ist, wie die Information über die Lage des Mondes am Ort der Erde bekannt sein soll.
Das Problem der Fernwirkung kann dadurch gelöst werden, dass man sich um jeden Körper ein Kraftfeld vorstellt. Bewegt sich ein Körper, so bewirkt er eine Veränderung des Feldes, in seiner unmittelbaren Umgebung. Diese Veränderung pflanzt sich dann (meist mit Lichtgeschwindigkeit) fort. Eine ständige Veränderung der Position eines geladenen Teilchens führt so dazu, dass regelmäßige Wellen des Kraftfeldes ausgesandt werden. So erzeugen schwingende Elektronen in einer Antenne Radiowellen und in einer Glühbirne Lichtwellen.
Eine allgemeine Aussage der Quantenmechanik ist, dass Quantenobjekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben. So kann man die Ausbreitung typischer Teilchen, wie Elektronen, als Wellenausbreitung beschreiben und typische Wellenphänomene wie Licht kann man zu Teilchen (Photonen) quantisieren.
Photonen können aber nicht nur zur Beschreibung schwingender elektromagnetischer Felder, sondern auch für die Erklärung von elektrischen Kräften bei Stößen zwischen Elementarteilchen verwendet werden. Bei solch einem Stoß wird ein Paket aus Energie, Impuls und anderen Eigenschaften von einem Teilchen auf das andere übertragen. Diese Pakete können als Photonen beschrieben werden. Da es sich nicht um reale, also unabhängig vom Kraftprozess existierende, Photonen handelt, bezeichnet man sie auch als virtuelle Photonen.
Andere Kräfte, wie z.B. die Kernkräfte werden nicht durch Photonen, sondern durch andere Teilchen aus der Gruppe der Bosonen übertragen. Der Austausch solcher Teilchen kann nicht nur Kräfte übertragen sondern auch Eigenschaften verändern. So bewirkt die schwache Kernkraft eine Umwandlung von Teilchen.
Um die Kraftübertragung zu erklären können nicht nur die elementaren Bosonen herangezogen werden. Auch zusammengesetzten Teilchen wie die Mesonen können Kräfte grob erklären. Dies wird auf der Seite zur starken Kernkraft näher erklärt.
Dass Teilchenaustausch zur Kraftübertragung führt kann man sich leicht mit einem Experiment verdeutlichen. Stellen sich zwei Menschen je auf ein Boot oder einen Wagen und werfen sich einen Ball gegenseitig zu, so stoßen sie sich bei jedem Wurf und bei jedem Fang voneinander ab. Die Übertragung von abstoßenden Kräften durch Teilchenaustausch ist also nichts Ungewöhnliches.
In der Quantenwelt können auch anziehende Kräfte durch "zuwerfen" von Teilchen übertragen werden. Das ist so als würde man einen Ball nach hinten werfen und jemand der einem gegenübersteht würde den Ball in den Rücken bekommen. Das Bild vom Teilchenaustausch wird verständlicher, wenn man sich klar macht, dass die virtuellen Teilchen Feldanregungen sind. Sie sind also keine punktförmigen Objekte, die von einem auf das andere Teilchen übertragen werden, sondern ausgedehnte Störungen der Kraftfelder die die beiden wechselwirkenden Teilchen umfassen.
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Letzte Änderung: 10.03.2014