| Ein Kugelsternhaufen (hier M 15) wird durch Gravitation zusammengehalten (BUSCA Messung; Link zum Originalbild) |
| In "Physik des Monats" wurde die Reihenfolge der Themen Jan.-Juni in etwa nach der Hierarchie der fundamentalen Kräfte bestimmt. |
Die Gravitation bestimmt die Form und Größe der Strukturen im Universum. Wenn bewegliche Materie durch Gravitation zusammengehalten wird, so verteilt sich die Materie kugelförmig, wie wir an der Sonne (und mit speziellen Teleskopen an den Sternen) sehen können. Aber auch feste Materie, wenn es davon viel gibt, bildet eine Kugel, so, wie es die Erde und der Mond sind. Kräfte aus Bewegung im irdischen Material führen zu Bewegung der Kontinente und somit zur Bildung von Gebirgsketten (Himalaja, Alpen, Anden), also Abweichungen von der Kugelform. Aber mit der Zeit (mit viel Zeit) werden solche Erhebungen wieder kleiner (teils durch Erosion).
Die Gravitation bewirkt auch, dass die vielen Sterne eines Sternsystems zusammengehalten werden, wie es sichtbar ist bei kugelförmigen Sternhaufen, bei ganzen Galaxien, sogar bei Galaxienhaufen. Somit ist die Gravitation die für die Astrophysik fast alles bestimmende Kraft.
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| Ein Kugelsternhaufen (hier M 15) wird durch Gravitation zusammengehalten (BUSCA Messung; Link zum Originalbild) |
Die elektromagnetische Kraft wird, wenn es um Materie geht, insbesondere beim Atom sichtbar. Atome haben einen positiv geladenen Kern und darum herum negativ geladene Elektronen. Die Elektronen bewegen sich (einfach gesagt) um den Kern, werden von der elektromagnetischen Kraft in genaue Bahnen um den Kern gehalten.
Die Wirkung der elektromagnetischen Kraft über große Entfernungen wird in der Praxis nie sichtbar. Das hängt mit der Kombination von Anziehung und Abstossung zusammen. Wie bei der Gravitation müsste für eine in großer Entfernung sichtbare Wirkung sehr viel Ladung gleicher Art zusammenkommen. Dann aber würden die vielen Teilchen gleicher Ladung einander derart abstossen, dass diese Materiemenge gleicher Ladung auseinander getrieben würde. Ein solches Objekt kann eben nicht existieren.
Es ist die elektromagnetische Kraft, die uns die ganze Elektronik ermöglicht. Sie bestimmt die Wirkung von Transistoren, Radios, Fernseher, Handys, Rechner (und somit das Internet, und daher auch diese Webseite!), usw.
Die Wirkung der elektromagnetischen Kraft wird nur auf atomarer Ebene sichtbar. Die Studie dieser Dinge gehört zum Gebiet der Atomphysik.
Die theoretische Beschreibung der Struktur des Atoms wird mit Hilfe der Quantenmechanik gemacht.
Wenn die Ladung der Elektronen der gesamten Ladung des Kerns gleicht, ist das Atom neutral. Fehlen Elektronen, dann ist das Atom ein Ion geworden. Materie ist in der Summe neutral, es gibt keinen Überschuss an positiver oder negativer Ladung. Die elektromagnetische Kraft lässt Materie auf einen neutralen Zustand hinstreben.
Frei bewegliche Ladungen wechselwirken unterschiedlich mit Materie. Strömende Ladungen erzeugen magnetische Felder. Dies ist der Bereich des Elektromagnetismus.
| Ein Atom wird durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten. Proton und Elektron haben entgegengesetzte Ladungen. Die Zeichnung zeigt das einfachste Atom, Wasserstoff (aus Schwarz et al. 2001) |
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Die starke Kraft wirkt nur auf sehr kleiner Entfernung, im wesentlichen nur auf Entfernungen zwischen Quarks im Atom und zwischen den Teilchen im Atomkern. Sie ist nicht stark wenn die Teilchen sehr eng beisammen sind, wird aber stärker wenn diese sich voneinander entfernen (aber irgendwo schwächt sie sich auch wieder ab). Dies macht die starke Kraft aussergewöhnlich. Aber gerade wegen dieser Eigenschaft bleiben die Quarks zusammen im Proton und im Neutron. Um die Bindung zu überlisten und um die Wirkung der Kraft zu untersuchen, benutzen die Physiker die sogenannten Teilchenbeschleuniger. Dies sind kleine (in einem Labor) bis ganz große (wie bei DESY oder CERN) Anlagen, wo bestimmte Teilchen mit Hilfe ausgefeilter Techniken beschleunigt werden, um dann ausgewählte Atomkerne zu beschiessen. Es kommt dann zu Prozessen in solchen Atomkernen (Kernreaktionen, Spaltung und vieles mehr).
Die starke Kraft bestimmt die möglichen Strukturen im Atomkern und somit auch die Struktur der Atome. Die Untersuchung der starken Kraft gehört daher zum Forschungsgebiet der Kernphysik.
Die theoretische Beschreibung der Struktur auch des Atomkerns wird mit Hilfe
der Quantenmechanik gemacht.
In Anerkennung der Leistung der theoretischen Beschreibung der starken Kraft
in 1973, erhielten Gross, Politzer und Wilczek den Nobelpreis Physik 2004.
| Ein Atomkern wird durch die starke Kraft zusammengehalten. Die Skizze zeigt die Struktur nach dem sogenannten Tropfenmodell. Protonen und Neutronen sind unterschiedlich gefärbt. Wegen der Perspektive sind nicht alle roten (und schwarzen) Kugeln sichtbar. Zeichnung 5.4 aus Simony (1990) |
Auch hier wird die theoretische Beschreibung mit Hilfe der Quantenmechanik vorgenommen.
Die starke Kraft hält Protonen und Neutronen zusammen. Sie bestimmt, welche Proton- und Neutron-Kombination zu stabilen Atomkernen führt und damit, welche Art Kerne über Kernfusion in Sternen gebildet werden können. Und die in Sternen gebildeten Kerne werden über Umwege zu der Materie, aus der die Erde und die lebenden Wesen dort zusammengesetzt sind.
Die elektromagnetische Kraft hält (unter anderem) Elektronen und Atomkerne zusammen. Sie entscheidet, ob Materie neutral oder ionisiert ist und ob Atome verschiedener Elemente zusammengebunden werden können. In neutraler Materie können einzelne Elektronen dennoch beschränkt beweglich sein. So liefert dies die Möglichkeit für elektrischen Strom und somit Halbleiter und Rechner.
Die Gravitation hält Materie, wenn in ausreichender Menge vorhanden, auf grosse Skalen zusammen. Durch Gravitation kommt es zur Bildung von Galaxien, von Sternen und Planeten, und von umeinander kreisenden Objekten (Mond um die Erde, die Erde um die Sonne). Materie in nicht fester Form kann strömen, wie bei Wasser (Regen, Flüsse, Wasserfälle) oder Luft (Wind).
- Bei extrem hoher Temperatur unterliegt die starke Kraft,
und Protonen und Neutronen werden in ihre Bausteine zerlegt.
- Zu viel an eigener Bewegung führt bei der elektromagnetischen Kraft
zur Auflösung von Molekülen und zur Ionisation.
- Zu viel eigene Bewegung bei Sternsystemen
(zu hohe kinetische Energie der Objekte) lässt z.B.
ein Kugelhaufensystem "verdampfen".
Schwarz O., de Boer K.S. et al., 2001, "Astronomie"
(Buch für Schule und Grundstudium), PAETEC, ISBN 3-89517-798-9
Simony, K., 1990, "Kulturgeschichte der Physik",
Verlag Harry Deutsch, Thun Frankfurt a.M., ISBN 3-87144-689-0