Die Evolution des Denkens.

aus Süddeutsche.de, 28. September 2017, 14:12 Uhr
 
Die Evolution des Denkens

Wer Tag für Tag nichts als die ewig gleiche Routine zu bewältigen hat, der kann zur Not vielleicht auf ein flink arbeitendes, leistungsfähiges Gehirn verzichten. Bei anspruchsvollen Lebensbedingungen aber, die sich zum Beispiel schnell und unvorhergesehen ändern, wäre das Sparen an der falschen Stelle.

 

Von Katrin Blawat

Wer in einer unberechenbaren Umgebung lebt und sich dementsprechend immer wieder auf neue Situationen einstellen muss, tut sich mit einer guten Portion Grips leichter. Das gilt auch für Vögel - selbst wenn diese Gruppe im Allgemeinen nicht gerade als die Einsteins unter den Tieren gilt.

Dabei bleibt jedoch die Frage, was im Zuge der Evolution zuerst kommt: Gerät eine zunächst nicht sonderlich gewitzte Art mehr oder weniger zufällig in ein anspruchsvolles Habitat und entwickelt dort durch Selektion notgedrungen größere kognitive Fähigkeiten? Oder stoßen überhaupt nur Vogelspezies, die - aus welchen Gründen auch immer - schon gewisse kognitive Fähigkeiten mitbringen, in Lebensräume mit schwierigen Umweltbedingungen vor?

Wie und warum haben manche Vogelarten große Gehirne entwickelt?

Diese Frage nach Ursache und Wirkung der Entwicklung leistungsfähiger Gehirne betrifft viele Tiergruppen - auch den Menschen. Zumindest in Bezug auf Vögel legt eine Studie nun eine eher überraschende Antwort nahe (Nature Ecology and Evolution): "Wir haben ermittelt, dass sich große Gehirne mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in Lebensräumen mit stabilen wie mit schwankenden Umweltbedingungen entwickeln", sagt Studienleiter Carlos Botero von der Washington University in St. Louis.

Demnach entwickelt eine Vogelart erst ein großes beziehungsweise leistungsfähiges Gehirn und kann dann anspruchsvolle Lebensräume besiedeln. In einem weiteren Teil der Studie betätigten die Autoren die Hypothese, wonach in Habitaten mit wechselnden Lebensbedingungen eher Arten mit vergleichsweise guten kognitiven Fähigkeiten anzutreffen sind. Wie und warum manche Vogelarten große Gehirne entwickelt haben, bleibt damit aber weiterhin offen.

Um die Stabilität oder Schwankungen innerhalb eines Lebensraums zu bestimmen, griffen die Forscher auf Wetterdaten und Klimasimulationen zurück. Das Vorkommen der verschiedenen Vogelarten in den USA bestimmten sie anhand von Daten aus den 1960er-Jahren bis 2014, die Bürger durch regelmäßige Monitoring-Aktionen gesammelt hatten. Und schließlich rekonstruierten die Wissenschaftler mithilfe eines entwicklungsgeschichtlichen Stammbaums Veränderungen in den Gehirngrößen verschiedener Vogelarten. Insgesamt flossen Daten von knapp 1300 Spezies in die Untersuchung ein, darunter Vertreter der Raben-, Lauben- und Nashornvögel, der Spechte, Eulen und Papageien.

Ein Strauß scheint ein riesiges Gehirn zu haben - oder doch nicht?

Als Maß für die kognitive Leistungsfähigkeit einer Art nahm das Team um Botero die relative Hirngröße - eine übliche, aber auch umstrittene Methode. Sie berücksichtigt auch die Körpermasse eines Tiers. "Ein Strauß scheint ein riesiges Gehirn zu haben, aber in Relation zu seiner Körpergröße ist es dann auch wieder nicht so eindrucksvoll", sagt Botero. "Ein Rabe dagegen ist nicht viel größer als ein Huhn, aber sein Gehirn ist im Verhältnis viel größer."

Doch haben zahlreiche jüngere Studien an Säugetieren gezeigt, wie fragil der Zusammenhang zwischen relativer Hirngröße und kognitiver Leistungsfähigkeit sein kann. So macht das Gehirn der Spitzmaus immerhin vier Prozent ihres Körpergewichts aus - beim Menschen hingegen nur zwei Prozent. Mag sein, dass die Intelligenz der Spitzmäuse bislang einfach noch nicht erkannt worden ist. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass die Beziehung zwischen relativer Hirngröße und kognitiven Fähigkeiten komplexer ausfällt als einst vermutet.

Die Neuronen sind so dicht gepackt, dass einige Papageien mit Primaten vergleichbar sind

Botero argumentiert, die Korrelation zwischen relativer Hirngröße und kognitiven Fähigkeiten sei bei Vögeln besser als bei Säugern. Doch auch bei Vögeln dürften darüber hinaus vor allem die Dichte und damit die Anzahl der Neuronen und deren Verbindungen untereinander entscheidend sein, wie tschechische Forscher in einer Analyse von 28 Vogelarten gezeigt haben. Im Vogelhirn befinden sich die Nervenzellen demnach derart dicht gepackt, dass einige Raben und Papageien auf eine ähnliche Anzahl relevanter Gehirnzellen kommen wie manche Primaten.

Schon dies zeigt: Unabhängig davon, unter welchen Bedingungen sich die kognitiven Fähigkeiten von Vögeln entwickelt haben, besteht diese Tiergruppe mitnichten nur aus rein instinktgesteuerten, kognitiv verarmten Wesen. Genau diese Sichtweise war jedoch lange Zeit verbreitet. Erst in jüngerer Zeit staunen Forscher über die kognitiven Kunststücke vor allem von Rabenvögeln und Papageien. Stars wie Betty, die Haken produzierende Krähe, oder Alex, der sinnvolle Konversation betreibende Graupapagei, haben erheblich dazu beigetragen, ein zähes Missverständnis aufzulösen, das da lautete: Das Vogelhirn unterscheidet sich strukturell so stark von dem der Säugetiere, das dort unmöglich Platz für so etwas wie Intelligenz sein kann.

Viele strukturelle Unterschiede zwischen Säuger- und Vogelhirn sind bis heute unumstritten. Während die Großhirnrinde der Säuger beispielsweise schichtweise aufgebaut ist, besteht das Vorderhirn der Vögel aus einer Struktur mit vielen einzelnen Kernen. Nathan Emery von der University of Cambridge, ein Fachmann für die Leistungen des Vogelhirns, und Nicola Clayton nennen als Analogie den Aufbau eines Club-Sandwichs (für Säugetiere) und den einer Peperoni-Pizza (für Vögel).

Dennoch seien sich der Neocortex der Säuger und das Vorderhirn der Vögel funktionell und entwicklungsgeschichtlich sehr ähnlich. Sind Vögel also im Allgemeinen sogar superschlau? Das wäre übertrieben. Denn noch ein Aspekt verbinde die kognitiven Fähigkeiten von Säugern und Vögeln, so Emery und Clayton in Current Biology: "Es gibt die Dumpfbacken und die Einsteins - wie in jeder taxonomischen Gruppe."

Null bedeutet nicht nichts.

aus scinexx                                                                                 Eine Seite des rund 1.700 Jahre alten Bakshali-Manuskripts
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Die "Null" ist viel älter als gedacht

Indisches Manuskript mit ältestem Null-Symbol stammt bereits aus dem 3. Jahrhundert

Ein Symbol für das Nichts: Die Idee der Null als eigenständiger Zahl ist weit älter als bisher gedacht. Denn indische Mathematiker nutzten schon vor gut 1.700 Jahren einen Punkt als Nullsymbol – 500 Jahre früher als bisher angenommen. Den Beleg dafür liefert eine neue Radiokarbondatierung des ältesten bekannten Lehrwerks der indischen Mathematik, des Bakshali-Manuskrips. Aus den in ihm verwendeten Null-Punkten entwickelte sich später unser rundes Nullsymbol. 

Sie ist für uns heute selbstverständlicher Teil des Zahlenraums – und in der Informatik ist sie sogar unverzichtbar: die Null. Sie kennzeichnet einerseits eine leere Menge, anderseits aber bestimmt ihre Position den Wert einer Zahl. Doch längst nicht in allen frühen Kulturen gab es schon eine solche "Leerstelle": Zwar nutzen die Babylonier bereits eine Art Platzhalter in ihrer Mathematik, aber weder die Griechen und Römer noch die Chinesen kannten eine Null.

Ein Punkt als Platzhalter

Unsere heutige Null verdanken wir der indischen Mathematik. Denn in ihrem Zahlensystem wurde ein Punkt als Platzhalter und Stellenwertangabe genutzt. Ein solcher Null-Punkt findet sich unter anderem in einer Inschrift aus dem Jahr 787 an einer Tempelmauer in Gwalior in Zentralindien. Als frühester Beleg für die indische Null gilt jedoch das Bakshali-Manuskript. Dieser auf Birkenrinde geschriebene Text wurde 1881 in einem Feld im heutigen Pakistan entdeckt.

Die rund 70 fragilen, dünne Seiten enthalten eine Sammlung mathematischer Regeln sowie Beispiele und Erklärungen dazu. In de Kalkulationen taucht der Null-Punkt hunderte Male auf. "Die Erschaffung der Null als eigenständige Zahl war eine der größten Durchbrüche in der Geschichte der Mathematik – und sie entwickelte sich aus dem Platzhalter-Punkt, wie er im Bakshali-Manuskript zu sehen ist", erklärt Marcus du Sautoy von der University of Oxford.

500 Jahre älter als gedacht

Aus welcher Zeit das Bakshali- Manuskript jedoch stammt, war bisher unklar. Erste Datierungen anhand von Stil und Schrift gingen davon aus, dass diese Texte aus dem 8. bis 12. Jahrhundert stammen. Jetzt jedoch haben Wissenschaftler der Bodleian Libraries in Oxford das kostbare Manuskript einer neuen Radiokarbondatierung unterzogen.

Das überraschende Ergebnis: Das Bakshali-Manuskript ist rund 500 Jahre älter als bisher angenommen. Die ältesten auf den Birkenblättern geschrieben Textseiten stammen bereits aus der Zeit zwischen 200 und 400 nach Christus, wie die Forscher herausfanden. "Ich bin absolut verblüfft, dass sich dieses Manuskript als so viel älter entpuppte als wir erwartet haben", sagt du Sautoy.

Über Arabien nach Europa

Das aber bedeutet, dass die indischen Mathematiker auch ihren Null-Punkt schon Jahrhunderte früher erfunden haben als bisher gedacht. "Das hat uns völlig geschockt, als wir erkannten, wie früh die indische Null schon existierte", sagt du Sautoy. "Es ist spannend, dass diese Kultur bereits das Konzept einer Leere in ihr Denken integrierte und dass ein Symbol für das Nichts schon Teil ihrer Philosophie war."

Erst Jahrhunderte später griffen arabische Mathematiker die Null der Inder auf. Über ihre Schriften gelangte dann die Ziffer Null im Mittelalter nach und nach auch in das Zahlensystem der Europäer. "Wir wissen nun, dass die Mathematiker Indiens schon im 3. Jahrhundert die Saat der Idee säten, die später so fundamental für die moderne Welt werden sollte", sagt du Sautoy.

(University of Oxford, 20.09.2017 - NPO)

Nota. - Null ist kein Symbol für das Nichts. Denn dann wäre sie ein Symbol für nichts und man könnte nicht mir ihr rechnen. Die Null ist die Zahl vor der Eins. Die ist erforderlich, wenn negative Zahlen nötig werden. Es ist haarsträubend, dass dergleichen Unsinn von der scinexx-Redaktion durchgelassen wird. Ich kann mir nicht vorstellen, dass M. du Sautoy so etwas gesagt hat: und wenn er's gesagt hat, kann er's nicht gemeint haben.

Übrigens stammt das Wort Ziffer vom arabischen as-sifr; so heißt auf Arabisch die Null.

JE

Domestikation macht dumm.

 
aus derStandard.at, 18. September 2017, 07:00

Wölfe verstehen kausale Zusammenhänge besser als Hunde
Neue Versuche zeigen, wie die Domestikation Einfluss auf die Wahrnehmung der Hunde hatte

Wien – Wölfe haben offenbar ein besseres Verständnis für kausale Zusammenhänge als Hunde. Ausgehend von der Frage, wie die Tiere auf unterschiedliche menschliche Gesten reagieren, zeigten Wissenschafter des Wolf Science Center (WSC) der Veterinärmedizinischen Universität Wien in Ernstbrunn (NÖ), dass Wölfe den Zusammenhang von Ursache und Wirkung verstehen, Hunde aber nicht. Ihre Arbeit erschien im Fachblatt "Scientific Reports".

In den Experimenten mussten die Tiere zwischen zwei Objekten wählen, von denen eines Futter enthielt, das andere nicht. In der ersten Versuchsreihe ging es darum, ob die Vierbeiner allein durch Augenkontakt oder in Verbindung mit einem Fingerzeig oder Nicken einen Hinweis auf den Behälter mit Futter verstehen. Sowohl Hunde als auch Wölfe erkannten diesen Wink und fanden das Futter. Akustische Hinweise

Im zweiten Experiment ging es darum, ohne Augenkontakt nur mit Hilfe von Gesten die Belohnung zu finden. Daran scheiterten alle Tiere. Im dritten Versuch gab es ohne sichtbare Anwesenheit eines Menschen nur einen akustischen Hinweis, dass sich in dem Behälter ein Leckerli befindet. Während die Hunde hier versagten, verstanden die Wölfe den kausalen Zusammenhang zwischen Geräusch und Belohnung.

"Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass die Domestikation einen Einfluss auf die Wahrnehmung unserer heutigen Hunde hatte", erklärte Michelle Lampe von der Radboud Universität in Nijmegen (Niederlande), die gemeinsam mit Zsofia Viranyi vom WSC die Versuche durchgeführt hat. Nicht ausschließen könne man den Einfluss des unterschiedlichen Zugangs zu Futter: Wölfe müssen dafür mehr Forschungsdrang zeigen als Hunde, die üblicherweise ihr Fressen vom Menschen bekommen.

Haltungsbedingungen ohne Einfluss

Die Wissenschafter haben in ihrer Studie aber nicht nur Hunde und Wölfe verglichen, die unter gleichen Lebensbedingungen aufgewachsen sind und gehalten werden. Sie verglichen zudem Hunde, die – wie die Wölfe – wild im Rudel leben mit jenen, die in Haushalten gehalten werden. So konnten die Forscher den Einfluss der Domestikation unter Berücksichtigung der Lebensbedingungen erforschen. Es zeigte sich, dass die Haltungsbedingungen aber keinen Einfluss auf das Ergebnis der drei Versuchsreihen hatten. (APA, red, 18.9.2017)

Abstract
Scientific Reports: "The effects of domestication and ontogeny on cognition in dogs and wolves."

Bewusst und unbewusst.

aus scinexx
 
Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
Trennung zwischen bewusst und unbewusst erfolgt erst spät 

Zwischen bewusst und unbewusst: Ob wir Bilder, die auf die Netzhaut unserer Augen fallen, auch bewusst wahrnehmen, entscheidet sich im Gehirn. Eine Studie zeigt nun, wie manche Reize auf dem Weg ins Bewusstsein gewissermaßen "versickern". Demnach setzt dieser Prozess offenbar erst erstaunlich spät im Laufe der Signalverarbeitung ein. Anfangs unterscheidet sich die Reaktion der Nervenzellen auf unbewusste und bewusste Reize dagegen kaum. 

Im Alltag strömen ununterbrochen tausende visuelle Reize auf uns ein. Doch nur einen Bruchteil davon nehmen wir bewusst wahr: Um einer Reizüberflutung zu entgehen, sortiert unser Gehirn systematisch aus. In unserem Denkorgan entscheidet sich, ob wir die Bilder, die auf die Netzhaut unserer Augen fallen, bewusst wahrnehmen oder nicht.

Wie dieser Prozess genau vonstatten geht, ist bisher jedoch weitestgehend unbekannt. Wissenschaftler um Thomas Reber von der Universität Bonn haben diesen Mechanismus nun genauer untersucht – und gezeigt, wie manche Reize auf dem Weg ins Bewusstsein gewissermaßen "versickern". 

Wahrnehmung im Bildertest

Für ihre Studie nutzten die Forscher ein lange bekanntes Phänomen: Zeigt man Menschen nacheinander zwei Bilder, nehmen diese das zweite nur dann bewusst wahr, wenn der zeitliche Abstand zum ersten lang genug ist. Im Versuch bekamen 21 Probanden eine Abfolge von Fotos präsentiert, die im Abstand von etwas mehr als einer Zehntelsekunde wechselten.

Zuvor hatten Reber und seine Kollegen ihnen zwei Motive gezeigt, auf die sie besonders achten sollten. Am Ende mussten sie angeben, ob sie diese beiden Motive im Strom der anderen Bilder gesehen hatten. "Wir haben dabei den zeitlichen Abstand zwischen den beiden gesuchten Fotos variiert", erklärt Reber: "Mal erschienen sie direkt hintereinander auf dem Monitor, mal waren ein anderes Foto oder sogar mehrere dazwischen." 

Ins Gehirn geblickt 

Es zeigte sich: Erschienen die gesuchten Bilder direkt hintereinander, nahm rund die Hälfte der Teilnehmer nur das erste bewusst wahr. Was aber war im Gehirn passiert, dass dem Bewusstsein eines der Motive entgangen war? Das konnten die Wissenschaftler untersuchen, weil alle Probanden der Studie Epilepsie-Patienten waren, denen zu Therapiezwecken Spezialelektroden in die Schläfenlappen implantiert worden waren. 

Der nützliche Nebeneffekt: "Damit konnten wir die Reaktion einzelner Nervenzellen auf visuelle Reize messen", erläutert Rebers Kollege Florian Mormann. "Wir wollten so herausfinden, inwiefern sich die Verarbeitung von Bildern unterscheidet – je nachdem, ob sie bewusst wahrgenommen wurden oder nicht."

Späte Trennung

Wenn ein Bild auf die Netzhaut fällt, leitet der Sehnerv die dazu gehörigen Reize zunächst an die Hinterseite des Schädels zum sogenannten visuellen Cortex – dem primären Sehzentrum. Dort verzweigt sich das Signal; ein Teil läuft durch den Schläfenlappen zurück Richtung Stirn. Die Messungen offenbarten, wie sich die elektrischen Pulse auf diesem Weg verändern: "Im hinteren Bereich des Schläfenlappens – also dem, der früher in der Verarbeitungskette liegt – gibt es kaum Unterschiede zwischen bewusst und unbewusst verarbeiteten Bildern", berichtet Reber. 

Die Aufspaltung in bewusst und unbewusst passiert erst danach: Auf dem Weg in die vorderen Teile des Schläfenlappens erfolgen die Pulse bei unbewussten Bildern mit einer immer größeren Zeitverzögerung. Zudem werden sie auf ihrer Reise immer schwächer. "Die Trennung zwischen bewusst und unbewusst erfolgt damit deutlich später, als viele Forscher bislang vermuteten", sagt Reber. 

Gesehen ja, wahrgenommen nein

 Damit ist klar: Das Auge registriert das Foto zwar und erzeugt ein entsprechendes Signal. Dieses scheint auf dem Weg ins Bewusstsein jedoch zu "versickern". Als Folge nimmt der Proband das Bild nicht wahr. "Es ist schon erstaunlich", meint Reber: "Wir können mit unseren Messungen nachweisen, dass der Patient ein bestimmtes Motiv gesehen hat – auch wenn der diese Tatsache auf Nachfrage verneint." (Current Biology, 2017; doi: 10.1016/j.cub.2017.08.025)

(Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 25.09.2017 - DAL)


Nota. - Also nicht im Moment des Kontakts mit der Sinneszelle geschieht die Unteerscheidung, sondern erst auf dem Weg nach vorn in den Stirnbereich, wo die Aufmerksamkeit sitzt. Als nächstes wüsste man gern: Wer macht die Unterscheidung - wer scheidet, und warum? Auf den ersten Blick möchte man meinen, es müsse mit der Aufmerksamkeit zu tun haben. Die Aufmerksamkeit verstärkt die Scheidung - oder besser gesagt: Sie ist die Scheidung. - Mit Wörtern kommt man offenbar nicht weiter. Was muss man sich vorstel- len?

JE

Weltformel.

Die Suche nach der Weltformel ist die Suche nach dem intelligent design: Würde sie gefunden, drängte sich die Annahme auf, dass sie sich wer ausgedacht hat; ein Urheber.

Unser Vorstellungsvermögen hat sich darwinistisch-evolutiv in der natürlichen Mittelwelt durch trial and error ausgebildet, da, wo die Sonne im Osten auf- und im Westen untergeht und wo wir unsere Erfahrungen machen.* Den Vorgängen im Mikrokosmos ist es ebensowenig erwachsen wie denen im Makrokosmos. Für beide jenseits seines Horizonts gelegenen Welten kann der Verstand theoretische Modelle erfinden, die sich nachrechnen und experimentell prüfen lassen – Quantenmechanik und Relativitätstheorie. Aber vorstellen, was die Modelle beschrei- ben, können wir uns in unseren irdischen Köpfen nicht.

Dass Quantenmechanik und Relativitätstheorie einander streng genommen ausschließen, ist beruhigend für die Vernunft. Es bestätigt, dass wir mit unseren irdischen Vermögen getan haben, was wir konnten. Wo wir mit unserer Vorstellung nicht mehr hinlangen können, nach ganz weit oben und ganz weit unten, haben wir uns mit Begriffen ausgeholfen, die wir aus logischen Prämissen unsern Erkenntniszwecken gemäß konstruieren konnten. Dass dies oben und unten jeweils ganz andere Begriffe sein würden, war angesichts dieser Vorgehens- weise zu erwarten. Ließen sich für beide Bereiche dieselben Begriffe finden, sollte uns das Blut in den Adern gefrieren: Wenn oben und unten dieselben Begriffe gälten, müssten sie dazwischen, in unserer mittleren Erfah- rungswelt, ebenso gelten; ein einziges Naturgesetz von Anfang bis Ende. 

Und kein Gesetz ohne einen Gesetzgeber.
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*) Die Labore der Wissenschaftler liegen auch in diesem Zwischenreich.

27. August 2013

Die vier Grundkräfte V: Gibt es die "Weltformel"?

aus scinexx                               Die Grand Unifying Theory (GUT) von Glashow und Weinberg sollte drei der vier Grundkräfte vereinen

Gibt es die "Weltformel"?

Große Hoffnung und viele Fehlschläge

In den 1960er und 1970er Jahren herrschte Aufbruchsstimmung in der Physik. Die lange gesuchte "Weltformel" schien plötzlich zum Greifen nahe. Denn Forschern war es gelungen, zwei der Grundkräfte zu vereinen: den Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft.

Eine erste Verschmelzung

Sheldon Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam konnten theoretisch nachweisen, dass diese Kräfte bei hohen Energien von rund 100 Gigaelektronenvolt verschmelzen. Sie sind dann nur Manifestationen einer übergeordneten Kraft – der sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung. Erst bei niedrigeren Temperaturen und Energien bricht diese Symmetrie zusammen – unter anderem durch Einwirkung des Higgs-Mechanismus. Denn er verleiht den Eichbosonen der schwachen Kernkraft eine Masse, dem Photon aber nicht.

1979 erhielten die drei Forscher dafür den Nobelpreis für Physik. Glashow und Weinberg sahen dies jedoch nur als einen ersten Schritt hin zur "Grand Unifying Theory" (GUT) – der großen vereinheitlichten Theorie. Sie entwickelten ein System, das es erlaubte, die Trägerteilchen von elektromagnetischer, schwacher und starker Wechselwirkung in mathematische Symmetriegruppen einzuordnen – die Grundlage für das heutige Standardmodell der Teilchenphysik.

Erklärungsnöte

Der nächste Schritt, die Vereinigung der starken Kernkraft mit den anderen beiden Grundkräften, schien nur noch eine Frage der Zeit. "Der Geruch der großen Synthese lag förmlich in der Luft", beschreibt US-Physiker Lawrence Krauss die Stimmung. Doch dieser Optimismus erwies sich als verfrüht. Zum einen können selbst die stärksten Teilchenbeschleuniger nicht einmal ansatzweise in den Energiebereich vordringen, der für eine Verschmelzung von starker und elektroschwacher Wechselwirkung nötig wäre. Sie lässt sich daher experimentell nicht direkt beweisen.

Die Supersymmetrie postuliert die Existenz von schweren Partnerteilchen für jedes bisher bekannte Elementarteilchen.

Im Gegenteil: Messungen deuten inzwischen darauf hin, dass es offenbar nicht genügt, einfach von noch höheren Energie auszugehen, um auch die starke Kernkraft mit ins Boot zu bringen: "Präzisere Messungen demonstrierten, dass sie sich in keiner Größenordnung vereinen – wenn es nur die Teilchen gibt, die bisher im Standardmodell vorkommen", erklärt Krauss.

Neuere Varianten der GUT versuchen daher, dieses Problem durch zusätzliche Teilchen oder Dimensionen zu umgehen, darunter die Supersymmetrie und die Stringtheorie. Bisher allerdings sind auch sie bloße Gedankengebäude ohne echtes Fundament.

Das Problem des Protonenzerfalls

Und noch einen Haken gibt es: Fast alle GUT-Varianten funktionieren nur, wenn es einen Zerfall des Protons gibt. Der Atombaustein dürfte demnach nicht unendlich lange stabil sein wie bisher angenommen, sondern müsste irgendwann spontan zerfallen - wenngleich erst nach 10 hoch 34 Jahren.

Blick in den Wassertank des Super-Kamiokande. Wände und Boden sind mit Phtoodetektoren bedeckt.

Das Problem dabei: Trotz dieser unvorstellbaren Halbwertszeit müsste sich der Protonzerfall experimentell leicht nachweisen lassen. Allein in unserem Körper tragen wir genügend Protonen, um in einem Jahr mindestens einen Zerfall zu erleben. In den gewaltigen Wassertanks von Detektoren wie dem Super-Kamiokande in Japan hätte daher längst einer dieser Zerfälle beobachtet werden müssen.

Doch das ist nicht der Fall. "Damit sind die meisten Varianten der einheitlichen Feldtheorie ausgeschlossen", konstatiert Krauss. Auch Glashow räumt dies ein: "Der Protonenzerfall ist ein Fehlschlag. Viele große Ideen sind damit gestorben."

Bleibt die Weltformel ein Traum?

Und nicht nur das: Wenn die große Vereinheitlichung schon bei den drei Grundkräften mit bekannten Trägerteilchen und gemeinsamer Quantenphysik nicht funktioniert, dann sieht es für die ganz große Weltformel richtig düster aus. Denn die Gravitation entzieht sich bisher dem übergeordneten quantenphysikalischen System, ganz zu schweigen von ihrem noch immer unentdeckten Boson.

Noch ist der Traum einer Weltformel damit zwar nicht völlig ausgeträumt. Aber es wird immer klarer, dass die von Einstein einst so optimistisch angegangene Vereinheitlichung der Grundkräfte viel komplexer und komplizierter ist als lange angenommen. Ob die Weltformel daher gibt und ob sie je gefunden wird, bleibt offen.

(von Nadja Podbregar, 28.07.2017)

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• Weltformel.
• Wird's doch noch was mit der Weltformel?
• Abschied von der Weltformel
• Am Ende der Naturgesetze?
• Das Naturgesetz und die Schöpfung 

Nota. - Von Philosophie verstehe ich etwas; von Transzendentalphilosophie, genauer gesagt. Auch von den Naturwissenschaften habe ich dies und das gehört, aber dass ich es verstünde, hatte ich nicht oft das Ge- fühl. Doch hier handelt es sich nicht um Naturwissenschaft, sondern um deren allgemeinverständliche Zu- sammenfassung. Ob und wieweit es zutrifft, kann ich nicht beurteilen; ich nehme an, dass es den 'Stand der Wissenschaft' loyal wiedergibt.

Die Philosophie lehrt mich, dass ich von den Dingen selber gar nichts weiß. Ich habe Vorstellungen von ihnen, über die kann ich reden, und ich kann mich fragen, wie ich zu ihnen gekommen bin. Ich werde be- merken, dass ich bei der Aufnahme, Anordnung und Bewertung der Daten, die mir meine Sinnesorgane vermelden, gewisse Schemata verwende - das, was bei Kant das 'Apriori' heißt. Bis dahin ist das noch keine Philosophie, sondern entspricht den Ergebnissen der empirischen (psychologischen) Forschung. Wenn es stimmt, verwendet sie allerdings selber besagte Schemata, sie kommt hinterdrein und ist nicht befähigt, die Schemata auf ihre Herkunft und Berechtigung zu prüfen.

Das ist Sache der Philosophie, nämlich der kritischen oder 'Transzendental'-Philosophie; transzendental darum, weil sie nach den Bedingungen ihrer eigenen Möglichkeit fragt. So kritisch und radikal sie immer verfährt - sie bleibt doch immer im Rahmen unserer tatsächlichen Vorstellungsmöglichkeiten, will sagen: andere Voraussetzungen als die, die sie selber macht, sind ihr nicht möglich.

Kant selber hatte die Möglichkeit offengelassen, dass unser Vorstellungsvermögen von einem Schöpfer so angelegt wurde, wie es eben ist. Der Naturwissenschaftler, der an dieser Stelle wieder zu Wort kommt, sagt, unser Vorstellungsvermögen ist wie jedes andere unserer Vermögen ein Produkt der natürlichen Evolution: Anpassung und Auslese. Wir können uns nicht vorstellen, was wir uns vorstellen könnten, wenn wir uns in einer anderen Ecke des Universums hätten entwickeln müssen; wir können uns nicht einmal vorstellen, was in unserer Welt die Biene dort sieht, wo bei uns das ultraviolette Licht unsichtbar wird.

Es ist Wunders genug, dass die irdische Beschränktheit unserer Vorstellungskraft uns nicht daran gehindert hat, durch das Übersetzen von konstruierten Begriffen in mathematische Formeln uns Dinge denkbar zu machen, die wir uns nicht vorstellen können. Das Wunder hat einen Namen, es heißt Symbolisierung. Mit den Symbolen können wir operieren, ohne unsere Vorstellungskraft jeweils mitbemühen zu müssen. Da- durch werden die Symbole indessen kein bisschen objektiver: Sie bleiben immer willkürlich gewählte Zeichen für eine subjektive Bedeutung. Die Bedeutung bezieht sich immer nur darauf, was wir mit dem Ding anfangen können, und nicht auf das, was das Ding 'ist', und ob eine Bedeutung 'stimmt', wird sich erweisen oder nicht.

Wenn also Einstein meinte, sein Geist könne sich nicht mit der Vorstellung zufriedengeben, dass es im Univerum "zwei getrennte Felder gibt, die in ihrer Natur völlig voneinander unabhängig sind", so sagt er etwas darüber, welche Vorstellungen unsere Gattungsgeschichte unserm Gehirn möglich gemacht hat; aber nichts über die Beschaffenheit der 'Dinge'. 

Es wäre des Wunders viel zu viel, wenn sich erwiese, dass wir durch das Kombinieren von Symbolen Formeln konstruieren können, denen 'das Ding' entspricht. Denn hier geht es nicht um dieses oder jenes Ding - da könnte der Zufall beispringen -, sondern um den Inbegriff aller Dinge. Den könnte nur kennen, wer 'Alles' erschaffen hat. Und andernfalls gäbe es ihn gar nicht.

Indem nun die Transzendentalphilosophie den Gedanken einer Schöpfung undenkbar* macht, schließt sie die Möglichkeit einer Weltformel aus; und darauf will ich wetten. 
JE

*) Kant hatte ihn dem Glauben zugestanden, aus der Wissscenschaft jedoch verbannt.



 

Die vier Grundkräfte IV: "Einheitliche Feldtheorie".

 

aus scinexx                    Der Theorie nach gehen alle vier Grundkräfte auf eine "Urkraft" zurück, die direkt nach dem Urknall existierte.

Wo Einstein scheiterte

Die Suche nach der Einheitlichen Feldtheorie

Beobachtungen und theoretische Überlegungen legen nahe, dass es mindestens vier Grundkräfte im Universum gibt. Aber warum eigentlich? Könnten sie nicht genauso gut vier verschiedene Manifestationen einer einzigen, fundamentalen Urkraft sein?

Urkraft am Uranfang 

Tatsächlich geht das gängige Weltbild der Physik davon aus, dass alle vier Grundkräfte ursprünglich vereint waren – unmittelbar nach dem Urknall. Damals, in den allersten Sekundenbruchteilen unseres Universums, war alle Materie und Energie auf einen unvorstellbar winzigen Punkt konzentriert. Unter diesen Extrembedingungen, bevor es überhaupt Teilchen gab, könnten auch alle Kräfte in einer Art "Urkraft" vereint gewesen sein. Auch alle Trägerteilchen waren damals noch gleich.

Doch noch vor Beginn der kosmischen Inflation zerfiel diese Urkraft – so die Annahme. Die Gravitation spaltete sich als erste ab, dann folgte die starke Kernkraft. Übrig blieb eine Kombination von schwacher Kernkraft und Elektromagnetismus: die elektroschwache Wechselwirkung. In der Zeit zwischen einer Billionstel und einer Millionstel Sekunde nach dem Urknall jedoch zerfiel auch sie und die restlichen beiden Grundkräfte entstanden. So weit die Theorie.

Eine Gleichung für alle

Doch wenn einst wirklich alle Grundkräfte vereint waren, dann müssten sie sich noch heute zumindest mathematisch-physikalisch auf einen Nenner bringen lassen. Anders ausgedrückt: Es müsste eine Gleichung geben, die alle Grundkräfte unter einen Hut bringt und das dahinterstehende, gemeinsame Konzept beschreibt. Die Idee einer solchen "Weltformel" ist faszinierend – und deshalb so etwas wie ein Gral der Physik.

Albert Einstein suchte gut 30 Jahre lang nach einer einheitlichen Feldtheorie für Gravitation und Elektromagnetismus – vergeblich.

Schon Albert Einstein fahndete nach dieser "Einheitlichen Feldtheorie" – obwohl zu seiner Zeit erst zwei der vier Grundkräfte bekannt waren: Gravitation und Elektromagnetismus. Dennoch versuchte er mehr als 30 Jahre lang, diese beiden mittels Feldgleichungen miteinander zu vereinen. "Der Geist, der nach einer integrierten Theorie sucht, kann nicht damit zufrieden sein, dass es zwei getrennte Felder gibt, die in ihrer Natur völlig voneinander unabhängig sind", sagte er 1926 in seiner Nobelpreisrede.

Doch so genial der Physiker auch war: An der Einheitlichen Feldtheorie biss er sich die Zähne aus. Einer der Gründe dafür war sein mangelndes Verständnis für die Quantenwelt, wie der Physiker Brian Greene erklärt: "Einstein wusste einfach nicht genügend über die fundamentalen Prozesse und Prinzipien in der Welt der mikroskopisch kleinen Teilchen, um den nächsten Schritt zu schaffen."

Aber auch seither halten sich die Fortschritte in Grenzen…


Nota. - Wenn wir am vorderen Ende der Zeitleiste stünden, würden wir der 'Urkraft' bei ihrem Wirken hinterhersehen und könnten ihr dabei zusehen, wie - und wo - sie sich vierteilt. Dafür ein mathematisches Modell zu entwickeln, dürfte nicht das schwerste Unterfangen sein. Wenn wir also auf dem Standpunkt eines intelligent designers stünden.

Wir sehen aber in die Zeitleiste von hinten zurück. Wo immer wir zu messsen anfaangen - die 'Urkraft' erscheint nirgends, sondern immer schon eine der vier Grundkräfte. Dass unsere Messinstrumente - allein schon die gedanklichen! - so feinfühlig sind, sie in den mannigfaltigen Phänomene als diese oder jene zu scheiden und zu iden-tifizieren, ist wohl ein Faktum - aber eigentlich ein erstaunliches! Dass wir aber nicht von 'hinten' in den Urknall "zurückkönnen" und dass uns der Rückblick opak erscheint, ist eine naheliegende Vermutung des gesunden Menschenverstands, hab ich Recht?
JE

Die vier Grundkräfte III: Gravitation.

aus scinexx                                                        Die Gravitation manifestiert sich in einer Krümmung der Raumzeit
  
Eine Grundkraft allerdings fällt komplett aus dem Rahmen – da hilft auch kein Higgs: die Gravitation.

Problemfall Gravitation 
Warum die Schwerkraft nicht ins Schema passt 

Die Gravitation ist ein echter Sonderling. Denn sie will einfach nicht in das säuberlich geordnete Standardmodell der Teilchenphysik passen. Klar scheint: Die Gravitation ist definitiv eine der fundamentalen Kräfte im Universum. Gäbe es die Gravitation nicht, würde es weder Sterne noch Planeten im All geben und auch unsere Alltagserfahrungen sähen ziemlich anders aus.

Extrem schwach und doch weltbewegend 

Erst die Gravitation sorgt dafür, dass sich Objekte mit einer Masse gegenseitig anziehen – je größer die Massen, desto stärker die Anziehungskraft. Das aber bedeutet auch, dass die Gravitationskraft auf der Ebene der Alltagsobjekte nur sehr schwach wirkt. Rein theoretisch übt unser Körper auf alle umgebenden Objekte eine Anziehungskraft aus. Spüren tun wir davon allerdings nichts. Und selbst die Schwerkraft der Erde können wir durch ein wenig Muskelkraft locker überwinden: Fällt uns ein Buch auf den Boden, heben wir es problemlos wieder auf.

Bei sehr kleinen Massen, wie auf der Ebene der Elementarteilchen, wirkt die Gravitation sogar so schwach, dass sie vernachlässigbar ist. Deshalb taucht die Gravitation in den Berechnungen und Modellen der Teilchenphysiker auch nicht auf – bisher jedenfalls. 

Wo steckt das Trägerteilchen? 

Das richtig große Problem aber bereitet uns die Gravitation, wenn es um ihr Trägerteilchen geht. Rein theoretisch müsste sie - wie alle anderen Grundkräfte auch - durch ein Eichboson vermittelt werden. Aber wie ein solches Graviton beschaffen sein könnte und ob es wirklich existiert, ist eines der großen Rätsel der modernen Physik.

Computermodell von Gravitationswellen, wie sie Einstein postulierte

Einer der Gründe dafür ist die ungewöhnliche Wirkungsweise der Gravitation. Albert Einstein beschrieb in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, dass die Gravitation untrennbar mit der Geometrie der Raumzeit verknüpft ist - und damit mit der Grundmatrix unseres Universums. Die Anziehung zwischen zwei Massen macht sich demnach in einer Krümmung der Raumzeit bemerkbar. Kommt es zu abrupten Veränderungen, beispielsweise bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, löst dies wellenartige Schwingungen der Raumzeit aus - Gravitationswellen. 

Das Problem der Quantisierung 

So weit, so bekannt. Aber wo in diesem Geschehen bleibt Platz für das Graviton? Rein theoretisch könnte es ähnlich wie beim Elektromagnetismus sein: Die Photonen sind im Prinzip nichts anders als die gequantelten, kleinsten Energieeinheiten der elektromagnetischen Wellen – eine elegante mathematisch beschreibbare Herleitung.

Aber die Gravitation ist keine normale Welle, sie ist die Geometrie der Raumzeit. Will man sie quantisieren, müsste man die Raumzeit selbst in diskrete Grundeinheiten aufteilen. Tatsächlich gibt es Physiker, die davon ausgehen, dass auch die Raumzeit aus Quanten besteht. Nach der Schleifen-Quantengravition ist sie aus einem Spin-Netzwerk aus verbundenen Knotenpunkten aufgebaut - sogenannte Schleifen oder "Loops". Wo sich in diesen Einheiten das Graviton versteckt, ist jedoch unklar.

Die Schleifen-Quantengravitation postuliert eine Quantelung der Raumzeit in Form eines Netzes auf Knoten und Schleifen
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Ein Detektor für das Graviton

Könnte man das Graviton vielleicht einfach experimentell nachweisen? Leider stehen die Chancen dafür eher schlecht, einige Physiker halten es sogar schlicht für unmöglich. Einer der Gründe: Die Gravitation ist auf der Ebene der kleinsten Teilchen 10 hoch 36 Mal schwächer als der Elektromagnetismus, entsprechend energiearm muss auch das Graviton sein. Einen Detektor, der dies erspüren kann, müsste daher weit empfindlicher sein als alles, was bislang technisch machbar erscheint.

Hinzu kommt, dass die Gravitons eher dünn gesät sind: Der Physiker Freeman Dyson rechnete vor einigen Jahren aus, dass die Sonne rund 10 hoch 24 Gravitons pro Sekunde abgibt – das sind 1.000 Trilliarden. Das klingt erstmal viel. Doch davon kommt nur ein Bruchteil bei der Erde an. Würde man die gesamte Erde in einen Detektor umwandeln, hätte dieser während der gesamten bisherigen Lebenszeit der Sonne gerade einmal vier Gravitons registriert.

Dyson kommt daher zu dem Schluss: Gravitonen könnten zwar etwas sein, das sich im Prinzip nachweisen lässt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies irgendwann gelingt, ist allerdings verschwindend gering. Das hindert die Physiker aber nicht daran, weiter nach möglichen Wegen zu suchen, um wenigstens indirekt die Existenz dieses Teilchens nachzuweisen.

Die vier Grundkräfte des Universums, II: Bosonen.

Higgs-Boson

 aus scinexx

Im Reich der Bosonen

Jeder Kraft sein Teilchen - theoretisch

Wie funktioniert eine Kraftwirkung überhaupt? Wie "spüren" zwei Magneten ihre gegenseitige Anziehung oder Abstoßung und was sagt dem Ball, dass er wieder zur Erde fallen soll? Lange Zeit fanden Wissenschaftler darauf keine Antwort. Sie konnten zwar die Wirkung der Kräfte beobachten und messen, ihre wahre Natur blieb ihnen jedoch verborgen.

Im Standardmodell der Teilchenphysik sind die Trägerteilchen (Eichbosonen, rot) von drei der vier Grundkräfte erfasst.

Teilchen als Vermittler der Kräfte

Heute weiß man, dass die Grundkräfte von Trägerteilchen vermittelt werden, den sogenannten Eichbosonen. Ähnlich wie ein Ball beim Fangen einen Teil seines Impulses und seiner Energie an den Fänger überträgt, wirken diese Kraftteilchen auf die Teilchen der Materie. Theoretisch lässt sich jede Grundkraft auf einen Austausch von Eichbosonen zwischen Materieteilchen zurückführen.

Im Standardmodell der Teilchenphysik bilden die Bosonen eine ganz eigene Klasse, denn sie unterscheiden sich in einigen entscheidenden Merkmalen von den "normalen" Teilchen, den Fermionen, aus denen unsere Materie besteht. So lässt sich ihr Eigendrehimpuls immer in ganzen Zahlen ausdrücken: Ein Photon hat beispielsweise einen Spin von eins. Bei Quarks, Elektronen und anderen Materiebausteinen ist der Spin dagegen immer halbzahlig.

Einzelgänger und gesellige Typen

Dieser auf den ersten Blick rein formale Unterschied hat gravierende Folgen für das Verhalten der Teilchen. Denn durch ihn werden Fermionen zu Einzelgängern: Dort, wo ein Quark oder Elektron ist, kann zur gleichen Zeit kein zweites mit dem gleichen Spin sein. Diese Teilchen müssen sich immer in einem ihrer Quantenmerkmale unterscheiden. Das besagt das sogenannte Pauli-Ausschlussprinzip.

Erst diese Grundeigenschaft sorgt beispielsweise dafür, dass die Elemente chemische Reaktionen miteinander eingehen: Weil ihre Elektronen nicht alle im günstigen Energiezustand sein können, sind einige zu ungünstigen Außenpositionen verdammt. Um dies auszugleichen, streben die meisten Elemente danach, Elektronen mit anderen Elementen auszutauschen – chemische Bindungen sind die Folge.

Erst die "gesllige" Natur der Bosonen macht Phänomene wie das Laserlicht möglich.

Anders die Bosonen: Sie sind eher geselliger Natur und können sich problemlos an einem Ort und zur gleichen Zeit aufhalten. Physikalisch ausgedrückt: das Pauli-Ausschlussprinzip gilt für sie nicht. Dadurch kann man beispielsweise in einem Laser große Mengen von Photonen mit gleichen Merkmalen erzeugen. Gleichzeitig befähigt erst diese "Geselligkeit" die Eichbosonen dazu, als Überträgerteilchen der Grundkräfte zu wirken.

Wer macht was?

Die Art der Bosonen bestimmt, auf welche Teilchen eine Kraft wirkt. Ihre Reichweite entscheidet darüber, in welchen Distanzen sich die Wechselwirkung manifestiert. Identifiziert und nachgewiesen sind heute die Trägerteilchen von drei der vier Grundkräfte: Das Photon ist das Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung. Die Gluonen wirken in Teilchen wie den Protonen und Neutronen als der Klebstoff für die Quarks und damit als Träger für die starke Kernkraft.

Bei der schwachen Kernkraft ist das Ganze ein wenig komplizierter: Sie wird von gleich drei verschiedenen Bosonenvarianten vermittelt: den W+, W- und Z-Bosonen. Und noch etwas ist seltsam: Nach gängiger Theorie dürften die Eichbosonen eigentlich keine Masse besitzen – bei Gluonen und Photonen ist das auch der Fall. Aber die Bosonen der schwachen Kernkraft haben eine Masse – eine ziemlich große sogar, wie Messungen im Large Hadron Collider (LHC) belegen.

Darstellung der Teilchenspuren beim Zerfall eines Higgs-Bosons im Detektor CMS

Rettung durch das Higgs

Wie ist das zu erklären? Hier kommen das Higgs-Boson und der mit ihm verknüpfte Higgs-Mechanismus ins Spiel. Sein Einfluss verleiht nicht nur Materieteilchen ihre Masse, sondern sorgt auch dafür, dass die Eichbosonen der schwachen Kernkraft mit dem Higgsfeld wechselwirken und so eine Masse bekommen. Ohne diesen Effekt müssten die W- und Z-Bosonen masselos sein.


Nota. - 'Es gibt' keine Kräfte. Was wirkt, entsteht immer erst durch Wechselwirkung - und die besteht in einem Austausch - zwischen zwei "Trägern". Trägern von was? Ein Was ist gar nicht 'da', bevor die 'Träger' aneinander geraten. Es ist die Wechsel- wirkung selbst, die 'wirkt'.
JE

Die vier Grundkräfte des Universums I.

 
aus scinexx                                                                                     John Martin,The Great Day Of His Wrath

Die großen Vier

Den Grundkräften der Physik auf der Spur

Nach gängigem Weltbild prägen vier fundamentale Wechselwirkungen das Universum. Doch vieles an ihnen gibt noch immer Rätsel auf. 

Sie sind die verborgene Macht im Universum: die vier Grundkräfte der Physik. Ob im Reich der Atome, in unserem Alltag oder im Kosmos, diese fundamentalen Wechselwirkungen spielen überall mit. Doch trotz ihrer immensen Bedeutung geben sie noch immer Rätsel auf. Denn was verbindet sie miteinander? Und gibt es vielleicht sogar eine einende "Weltformel"? 

Nach gängigem Weltbild sind diese vier die universellen "Macher": Gravitation, Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft. Am Uranfang des Kosmos waren sie alle vereint, teilten sich dann aber auf. Seither gehen aus ihnen und der Wirkung ihrer Trägerteilchen alle anderen Kräfte und Phänomene hervor – so die Theorie.

Doch mit diesem simplen Bild gibt es Probleme: Bisher sind die Mittlerteilchen nur von dreien der vier Grundkräfte bekannt. Und schon Albert Einstein verzweifelte beim Versuch, die Grundkräfte mathematisch-physikalisch unter einen Hut zu bringen. Bis heute gleicht die Suche nach einer solchen "Weltformel" der Suche nach dem heiligen Gral…

 Inhalt:

1. Die Macht der "Viererbande"
   Kräfte und Grundkräfte
2. Im Reich der Bosonen
   Jeder Kraft sein Teilchen - theoretisch
3. Problemfall Gravitation
   Warum die Schwerkraft nicht ins Schema passt
4. Wo Einstein scheiterte
   Die Suche nach der Einheitlichen Feldtheorie
5. Gibt es die "Weltformel"?
   Große Hoffnung und viele Fehlschläge

Die Macht der "Viererbande"

Kräfte und Grundkräfte

Ob Elektrizität, Reibung oder mechanische Kraft - unser Alltag ist von der Wirkung von Kräften geprägt.

Ob wir einen Ball fallen lassen, ein Elektrogerät anschalten oder von einem Stuhl aufstehen – die Wirkung von Kräften begegnet uns überall in unserem Alltag. Immer dann, wenn sich Objekte gegenseitig beeinflussen, sei es durch Anziehung, Abstoßung, Reibung oder Widerstand, ist eine Kraft im Spiel. Kräfte steuern und beeinflussen alle Prozesse im Universum und wirken vom kleinsten Teilchen bis in die Weiten des Alls.

Doch so vielfältig die Kräfte und ihre Wirkungen erscheinen: Heute weiß man, dass sie sich alle auf nur vier Grundkräfte zurückführen lassen – zumindest nach gängiger Theorie. Zu diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen gehören die Gravitation, der Elektromagnetismus sowie die schwache und die starke Kernkraft. Einzeln oder zusammen wirkend bringen sie all die Effekte hervor, die unsere Welt und den gesamten Kosmos prägen.

Die Gravitation bestimmt die Bahnen von Himmelskörpern und bewirkt die Erdanziehung.

Gravitation und Elektromagnetismus

Die Gravitation ist die Grundkraft, die am frühesten identifiziert und beschrieben wurde. Isaac Newton beschrieb schon im 17. Jahrhundert ihren Einfluss auf Massen und auf Planeten und andere Himmelskörper. Dass auch zwei Objekte alltäglicher Größe eine Anziehung aufeinander ausüben, bewies der Ende des 18. Jahrhunderts der britische Chemiker Henry Cavendish. Erst Albert Einstein jedoch legte vor gut hundert Jahren mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie den Grundstein für unser heutiges Verständnis der Gravitation als einer Folge der Geometrie der Raumzeit.

Für uns unmittelbar im Alltag erfahrbar ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Erst durch sie fließt Strom, finden chemische Reaktionen statt oder wirken Magneten. Diese Grundkraft sorgt aber auch dafür, dass Atome und Moleküle durch die Ladung ihrer Teilchen zusammenhalten. Erst durch sie ist der Boden unter unseren Füßen tragfähig und feste Körper können entstehen.

Die starke Kernkraft hält die Quarks im Proton und Neutron zusammen, Trägerteilchen sind Gluonen.

Die beiden Kernkräfte

Die beiden restlichen Grundkräfte wurden erst identifiziert, als Wissenschaftler begannen, die Zusammensetzung des Atoms und sein Verhalten zu enträtseln. Denn beide wirken nur in seinem Inneren. Die starke Wechselwirkung ist die Kraft, die die Quarks im Innern von Protonen und Neutronen zusammenhält und die Atomkerne überhaupt erst stabil macht. Denn sie sorgt dafür, dass sich die Protonen im Atomkern trotz ihrer positiven Ladungen nicht abstoßen, sondern zusammenhalten.

Die schwache Kernkraft ist der große Wandler: Sie sorgt nicht für Stabilität, sondern wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen. Erst durch sie ist beispielsweise die Umwandlung von Protonen zu Neutronen möglich, wie sie bei bestimmten radioaktiven Betazerfällen oder bei der Wasserstofffusion im Herzen der Sonne vorkommen. Dabei wandelt sich ein Up-Quark im Proton in ein Down-Quark um und gibt dabei ein Positron und ein Neutrino ab.

So weit die Effekte der vier Grundkräfte. Aber wodurch wirken sie?