16.2 Moderne Vorstellung von Kräften
Zu dem Inhalt dieses Posts wird euch bestimmt niemand in einer Prüfung fragen...aber ich denke, ihr solltet mal andeutungsweise erfahren, was man heute sich wirklich unter Kräften vorstellt.
16.2.1 Gravitation
Im Kapitel 11 haben wir ja dazu schon viel erfahren, deswegen möchte ich es hier nur kurz wiederholen:
Gravitation entsteht durch eine innere Struktur von Raum und Zeit. Mathematisch korrekt spricht man von Metrik, bei anschaulichen Beispielen nennt man das auch Raumkrümmung:
Gekrümmter Raum sagt den Massen, wie sie sich bewegen sollen.
Massen sagen dem Raum, wie er sich krümmen soll.
Gravitation ist also eine Eigenschaft des Raumes (und der Zeit, also der vierdimensionalen Raum-Zeit) und nichts was im Raum entsteht. Es gibt also keine Gravitationsladungen, von denen die Kräfte ausgehen.
Das finden alle Forschenden schade, denn so müssen sie (zumindest bis jetzt) zwei unterschiedliche Arten von Kräften akzeptieren:
Kräfte als Eigenschaft von Raum und Zeit
Kräfte als Eigenschaft von Objekten innerhalb des Raumes.
Und zu denen kommen wir jetzt:
16.2.2 Elektrische Kräfte
Elektrische Kräfte gehen von elektrischen Ladungen aus. Da wir sowohl anziehende als auch abstoßende elektrische Kräfte kennen, muss es zwei Sorten von Ladungen geben, die wir + und - nennen.
Dabei werden die Kräfte durch ein elektrisches Feld von den Ladungen aus übertragen.
Diese Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, denn sie bestehen aus den Objekten, die das Licht ausmachen, den Photonen. Je nach Stärke des Feldes sind es aber auch besonders energiereiche Photonen (Röntgenstrahlung)., die wir nicht sehen können, oder auch sehr energiearme Photonen (Radiostrahlung), die wir ebenfalls nicht sehen können.
Diese Photonen transportieren Energie und Impuls und vermitteln somit die Kraftwirkung.
Der Sammelbegriff für kraftvermittelnde Objekte ist: Boson.
Für abstoßende elektrische Kräfte kann man sich das ganz gut veranschaulichen.
Die Darstellung vom CERN gibt alle Grundkräfte an und beschreibt auch ihre relative Stärke. Da wird deutlich, dass die Gravitation unglaublich schwächer ist als jede andere Masse...Deswegen haben Sterne auch so riesige Massen, damit was ordentliches aus ihnen werden kann....
Die Veranschaulichung für die anziehende Wirkung geht ganz gut so iw es Gamov dargestellt hat:
Die beiden Hunde nutzen einen gemeinsamen Knochen und sind somit aneinander gebunden.
Dieses Modell passt eher auf die anziehenden Kernkräfte, aber hilft vielleicht auch hier.
Die Kraftwirkung ist aber eher nicht anschaulich fassbar, denn es sind sog. Quanteneffekte. Winzig kleine Mengen an Schwung und Energie werden übertragen, können dabei sowohl anziehende als auch abstoßende Wirkung zeigen.
16.2.3 Magnetische Kräfte
Magnetische Kräfte wurden lange vor den elektrischen Kräften entdeckt. Aber James Clerk Maxwell (1831-1874) hat 1864 gezeigt, dass Magnetfelder auf bewegte elektrische Felder zurückgeführt werden können. Dazu lernt ihr etwas in Q2.
Einstein und Lorentz haben 1905 gezeigt, dass es noch viel einfacher geht: Magnetfelder sind ein Effekt der Relativitätstheorie und keine eigenständigen Kräfte. Dazu lernt ihr in der Schule in der Regel nichts...
Aber auf meiner Homepage könnt ihr dazu etwas nachlesen:
https://www.natur-science-schule.info/post/wer-braucht-denn-magnetfelder
Wer braucht denn Magnetfelder?
16.2.4 Zwei weitere Grundkräfte
Wir haben also bisher nur zwei grundlegende Kräfte gefunden: die Gravitationskraft als Eigenschaft des Raumes und die elektrische Kraft als Eigenschaft elektrischer Ladungen im Raum.
Es gibt noch zwei weitere grundlegende Kräfte:
Schwache Kraft
Diese Kraft ist für die Radioaktivität verantwortlich. Sie kann Elementarteilchen ineinander umwandeln: Quarks in andere Quarks oder auch in Elektronen.
Ihr haben wir es zu verdanken, dass es Elemente gibt, die schwerer als Eisen sind, wie z.B. Gold und Silber...
Auch diese Kraft wird von Objekten vermittelt. Die Bosonen der schwachen Kraft heißen Weakonen. Es gibt drei davon, zwei die zusätzlich auch elektrische Kräfte vermitteln, also geladen sind (+ , -) und eines, das elektrisch neutral wie das Photon ist, aber deutlich schwerer.
Photonen gibt es nur in Bewegung. Deswegen reichen elektrische Kräfte beliebig weit.
Weakonen besitzen eine Masse (knapp 100 Protonenmassen), deswegen reichen diese Kräfte nicht sehr weit. Sie wirken nur innerhalb der Atomkerne.
Auch schwache Kräfte werden von Ladungen erzeugt. Es sind aber keine elektrischen Ladungen. Die Ladungen, von denen die schwache Kraft ausgeht, nennt man rechts und links.
Niemand weiß, was da real dahintersteht....
Starke Kraft
Diese Kraft verhindert, dass Atomkerne wegen der gleichen elektrischen Ladung der Protonen auseinanderfliegen. Hier gibt es drei verschiedene Ladungen, die man mit Farbangaben unterscheidet: rot, blau, grün.
Die Bosonen der starken Kraft nennt man Gluonen (Leimteilchen). Davon gibt es 8 verschiedene Sorten.
Ganz schön aufwändig, die Natur...nur damit unsere Atomkerne zusammenbleiben...
Übrigens: Fast 98% unserer Masse besteht aus diesen Gluonen. Die Atomkerne sind voller Klebstoff...., genauer fast nichts außer Klebstoff....
Kernkräfte
Das ist keine Grundkraft, sie wird auf recht seltsame Weise erzeugt.
Wer etwas mehr über die Kernkraft wissen will (sie ist keine Grundkraft), findet hier auf meiner Homepage leicht verständliche Informationen:
https://www.natur-science-schule.info/post/kernkraft
Nun kehren wir wieder zurück ins 17. Jahrhundert und formulieren Newtons Gesetze so, wie man es in der Schule macht, aber wie es Newton ursprünglich nicht gemacht hat (er hat mit dem Impuls gearbeitet).
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