Kräfte und Felder

Allgemein versteht man unter einer Kraft die Fähigkeit etwas zu bewirken, beispielsweise die Fähigkeit einen Körper in Bewegung zu versetzen. Dabei handelt es sich immer um eine gerichtete Größe, das heißt sie wirkt immer in eine ganz bestimmte Richtung und man kann ihren Betrag festlegen. Deshalb spricht man hier auch von vektoriellen Größen oder Vektoren. Diese Vektoren sind eben durch ihre Richtung und ihren Betrag, bzw. ihre Länge festgelegt. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Masse eines Körpers um eine sog. skalare Größe oder Skalar, also eine Zahl, ohne ausgezeichnete Richtung.

Wenn nun eine Kraft auf einen Körper einwirkt, so wird dieser beschleunigt, und zwar ergibt das Produkt aus Masse und Beschleunigung die einwirkende Kraft, wie Newton eingefallen sein soll. Als er fallende Äpfel beobachtet hat.

Vor Newton war man davon ausgegangen, dass jede bewegte Masse danach strebt, in einen ruhenden Zustand überzugehen, aber da hatte man die Reibung noch nicht als eine eigene Kraft erkannt. Laut Newton beharrt ein Körper, auf den keine Kraft wirkt, in Wirklichkeit auf seinem Bewegungszustand, das heißt er bleibt in Ruhe oder bewegt sich mit gleich bleibender Geschwindigkeit weiter.

Aber was macht die Kraft, wenn sie keinen Gegenpart hat, auf den sie wirken kann. Zunächst einmal gar nichts, aber das ist ein Problem, denn wenn wir jetzt einen Körper hinzufügen, muss quasi mit sofortiger Wirkung eine Kraft auftauchen, und das würde der Relativitätstheorie widersprechen, die verbietet, dass Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden (und die Kraft liefert schließlich gleich die Information über ihren Ausgangspunkt und Stärke). Wir haben zwar etwas gemogelt, indem wir den Körper einfach so haben erscheinen lassen, aber trotzdem scheint die plötzliche Kraftwirkung unmöglich zu sein, und voreilig könnte man daraus schließen, dass (veränderliche) Kräfte unmöglich sind. Die Anschauung lehrt uns allerdings etwas anderes, es muss also etwas vorhanden sein, dass der Kraft vorausgeht, so etwas wie eine potenzielle Kraft oder das Versprechen eine Kraft wirken zu lassen, wenn sich die Gelegenheit ergibt. Dieses Potential ist das Kraftfeld.

Das Kraftfeld umgibt jeden Körper, der in der Lage ist eine Kraft auszuüben, über die Gravitation ist das natürlich jeder Körper und man spricht von einem Gravitationsfeld. Handelt es sich um einen geladenen Körper, so spricht man von einem elektrischen Feld (elektromagnetisch, wenn sich der Ladungsträger bewegt).

Diese Kraftfelder sind unendlich weit ausgedehnt, ihr Kraftpotenzial nimmt aber mit der Entfernung ab. Außerdem pflanzen sich Veränderungen in diesen Kraftfeldern natürlich nur mit Lichtgeschwindigkeit fort. Das gilt sowohl, wenn ein Stern in einer Supernova explodiert oder wenn eine Kernreaktion ein Proton in ein Neutron umwandelt und sich so die elektrische Ladung ändert. Im ersten Fall dauert es ein paar Minuten, bis die Gravitationswelle die ersten Planeten des ehemaligen Sterns erreicht und viele Jahre, bis sie unsere Erde erschüttert (diese Erschütterungen versucht man derzeit mit verschiedenen Experimenten nachzuweisen). Im zweiten Fall braucht die Feldänderung nur Bruchteile eines Augenblicks, um die Distanz zu den Elektronen zu überbrücken.

Gravitations- und elektromagnetische Felder haben zwar die gleiche Ausdehnung, aber die elektromagnetische Kraft ist trotzdem etwa 100-mal stärker. Um sich davon ein Bild machen zu können, muss man sich vorstellen, dass das Feld wie eine Krümmung in einer Gummiplane wirkt (die Gravitation z. B. krümmt das Raumzeitkontinuum, was nach 100 Jahren Einstein geläufig sein dürfte, bei den anderen Feldern wird es etwas komplizierter) und je steiler die Einbuchtung, desto stärker wirkt nachher die Kraft.

Der Grund dafür, dass wir die elektromagnetische Kraft weniger häufig zu spüren bekommen als die Gravitation, liegt einfach daran, dass die meisten Körper in unserer Umgebung elektrisch neutral sind und dann keine Kräfte aufeinander ausüben. Ganz korrekt ist diese Aussage jedoch nicht, denn die Atome und Moleküle selbst sind über elektromagnetische Kräfte miteinander verbunden, und wäre die Kraft nicht so stark, dann würden wir einfach durch den Fußboden, auf dem wir stehen, hindurchsacken.

An dieser Stelle seien dann auch der Vollständigkeit halber die anderen beiden fundamentalen Kräfte erwähnt, nämlich die starke und die schwache Kraft, die innerhalb von Atomkernen eine Rolle spielen; diese Kräfte haben eine extrem kurze Reichweite, sind aber um etliche Größenordnungen stärker als z. B. die elektromagnetische Kraft. Die starke Kraft wirkt zwischen Protonen und Neutronen und muss dabei stärker sein als die elektromagnetische Kraft, die gleiche Ladungen trennen möchte, aber ihre Reichweite ist so begrenzt, dass ein größerer Kern schon wieder instabil wird und zu spontanem Zerfall neigt.

Und die schwache Kraft spielt letztendlich nur bei verschiedenen radioaktiven Prozessen in den Kernbausteinen selbst eine Rolle. In Bezug auf das Gummituch muss man sich diese beiden Kraftfelder wie extrem steile Trichter vorstellen.

Es stellt sich allerdings die Frage, was diese Felder denn eigentlich krümmen, denn die Raumzeit scheint es ja nicht zu sein, die ist der Gravitation vorbehalten. Und so kommen wir schon wieder an die Grenzen unseres Gummituchmodells. Es beschreibt zwar sehr schön, was wir sehen und mathematisch beschreiben, aber solange wir uns nicht noch ein paar zusätzliche Dimensionen aus den Fingern saugen (was freilich durchaus legitim ist und im Rahmen der Suche nach einer vereinheitlichten Theorie auch gemacht wird), fehlt uns ein Medium für diese Krümmungen.

Um das Problem zu umgehen, hat man sich die Austauschteilchen ausgedacht, dabei handelt es sich um virtuelle Partikel, welche die Kraftwirkung vermitteln (vielleicht so wie das Seil beim Tauziehen). Für die Gravitation heißt dieses Teilchen Graviton und für die anderen Kräfte handelt es sich um virtuelle Photonen (Lichtteilchen). Und damit erreichen wir dann die quantenmechanische Beschreibung der Wechselwirkung.

Die genannten Austauschteilchen der Kräfte sind nicht wirklich irgendwo vorhanden, sie bestehen nur in einem möglichen Zustandsraum und erst wenn sie auf einen Körper treffen bricht diese Zustandsfunktion aller möglichen Aufenthaltsorte des Austauschteilchens zusammen und es sorgt dafür, dass eine Wechselwirkung zwischen den Körpern zustande kommt. Nun kann das Austauschteilchen niemals mit zwei Körpern in der Umgebung wechselwirken, deshalb muss die Zustandsfunktion mit sofortiger Wirkung im ganzen Universum auf einen einzigen tatsächlichen Zustand zusammenschnurren.

Streng genommen wird damit die Information über das Vorhandensein des virtuellen Teilchens schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, was nur deshalb keine Probleme macht, weil man diese Information in der Regel nicht nutzen kann. Allerdings gibt es sog. verschränkte Zustände von Teilchen, die sich mal im gleichen Zustand befunden haben und dann getrennt wurden, diese können unabhängig vom Ort Aussagen über den Zustand des anderen Teilchens machen. Das würde Einstein ganz schön in Erklärungsnot bringen, zum Glück halten sich verschränkte Zustände nicht lange, nämlich nur solange, bis eines der Teilchen eine Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen eingeht, so dass man solche Zustände nur millionstel Grad vom absoluten Temperaturnullpunkt entfernt aufrecht erhalten kann.

Auch die experimentelle Beobachtung, dass auch Kräfte gequantelt sind - d. h. in kleinen Paketen übertragen werden, lässt sich erst im quantenmechanischen Bild treffend beschreiben. Aber genau diese Quantelung führt auch dazu, dass eine sog. Vakuumenergie existiert, die dafür sorgt, dass selbst im leeren Raum Teilchen entstehen können, und dass auch in einem perfekten Vakuum eine Kraft wirkt.

Je genauer man sich Phänomene anschaut - und Kräfte sind uns im Alltag wohl vertraut -, desto komplizierter wird es, ihre Phänomene zu erklären. Und dabei sind all dies nur Beschreibungen für unsere Beobachtungen; welche unsichtbaren Dämonen tatsächlich für die von uns beobachteten Kraftwirkungen verantwortlich sind können wir damit nicht Beweisen.


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