Diese vier grundlegenden Kräfte sind:

• Elektromagnetische Kraft
• Gravitationskraft
• Starke Kernkraft
• Schwache Kernkraft

Von Physikern angestrebt wird die Vereinheitlichung der vier Kräfte in einer einzigen Theorie.
Eine tabellarische Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften der vier Kräfte finden Sie hier.


Die elektromagnetische Kraft:

Die elektromagnetische Kraft wirkt auf elektrisch geladene Teilchen. Sie ist dafür verantwortlich, daß sich gleich geladene Teilchen gegenseitig abstoßen und unterschiedlich geladene Teilchen einander anziehen. Die wichtigste Realisierung in der Natur ist der Zusammenschluß von positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronenhüllen zu Atomen, da schließlich die gesamte Materie aus Atomen aufgebaut ist.
In unserer Makrowelt lassen sich die meisten alltäglichen Erscheinungen auf die elektromagnetische Kraft zurückführen, von der chemischen Bindung über die makroskopischen Eigenschaften der Stoffe bis hin zu Licht.
Die Reichweite der elektromagnetischen Kraft ist unendlich, ihr Betrag nimmt mit dem Abstand quadratisch ab. Ein Objekt läßt sich von der elektromagnetischen Kraft abschirmen, indem man es (oder alternativ dazu die Quelle) mit einem geschlossenen Metallrahmen umgibt (Faradayscher Käfig).


Die Gravitationskraft:

Eine Gravitationskraft wird von allen Körpern mit Masse aufeinander ausgeübt. Durch sie werden wir auf der Erdoberfläche festgehalten, durch sie wird die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne gehalten und die Sonne auf ihrer Bahn um das Zentrum der Milchstraße. Im Gegensatz zur elektromagnetischen Kraft gibt es bei der Gravitationskraft keine Abstoßung - alle Materie zieht sich gegenseitig an. Auch gibt es keine Möglichkeit, sich gegen diese Anziehung abzuschirmen.
Zwar erstreckt die Gravitationskraft ihre Wirkung nur auf Teilchen, die eine Ruhemasse haben. Aber nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmen große Massen den Raum, so daß dadurch auch Teilchen ohne Ruhemasse wie z.B. Photonen abgelenkt werden. So gesehen wirkt die Gravitationskraft auf alle Teilchen. Ihre Reichweite ist unendlich und ihre Stärke nimmt mit dem Abstand quadratisch ab.
Die Gravitationskraft bietet für die moderne Wissenschaft noch die größten Rätsel aller 4 Kräfte, man weiß vergleichsweise erst wenig über sie.


Die starke Kernkraft:

Die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft sind, neben der elektromagnetischen Kraft, für alle in Atomkernen und zwischen Elementarteilchen ablaufenden Prozesse verantwortlich. Im Gegensatz zu den beiden oben besprochenen Kräften haben sie eine sehr geringe Reichweite. Diese erstreckt sich nur auf den Bereich der Atomkerne bzw. auf die Dimensionen direkt miteinander wechselwirkender Elementarteilchen.
Die starke Kernkraft wirkt nur auf aus Quarks zusammengesetzte Teilchen, also vor allem auf Protonen und Neutronen. Sie hält die Atomkerne zusammen, gegen die Bestrebung der positiv geladenen Protonen, sich gegenseitig abzustoßen (aufgrund der elektromagnetischen Kraft). Ohne sie gäbe es daher keine Atomkerne und damit auch keine Atome und keine Materie.


Die schwache Kernkraft:

Die schwache Kernkraft bewirkt keine Anziehung oder Abstoßung, sondern ist dafür verantwortlich, daß sich Quarks in andere Quarks und Leptonen in andere Leptonen umwandeln können. Sie hat für unsere Makrowelt keine so relevante Bedeutung wie die drei anderen Kräfte. Im Vergleich zur starken Kernkraft ist ihre Wirkung extrem gering. Ihre Reichweite ist beschränkt auf Ausdehnungen, die noch wesentlich kleiner sind, als ein Atomkern.


Vereinheitlichung der vier Kräfte:

Das Ziel der theoretischen Physik ist es, alle vier Kräfte mit einem einzigen Gleichungssystem zu beschreiben. Bis jetzt hat man die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft in der elektroschwachen Vereinheitlichung zusammengefaßt (1961). Diese ist in den letzten Jahren experimentell mit hoher Genauigkeit bestätigt worden und hat sich als grundlegende Theorie etabliert.
Der nächste Schritt ist die Verbindung der elektroschwachen Kraft und der starken Kernkraft in den sogenannten Grand Unified Theories (GUT). Nimmt man auch noch die Gravitationskraft hinzu, vereinheitlicht also alle vier Kräfte, so spricht man von Supersymmetrie.
Albert Einstein, ebenso wie Stephen Hawking, arbeiteten (bisher) vergeblich an dem Versuch, die vier Kräfte der Natur in einer einzigen Theorie zu vereinigen.

Das Problem auf der experimentellen Seite dieser Forschung liegt darin, daß man immer größere Energien aufwenden muß, um den Zustand herbeizuführen, bei dem die Kräfte gleich stark werden. Um die Vereinheitlichung von stark, schwach und elektromagnetisch (GUT) herbeizuführen, müßte man in einem Teilchenbeschleuniger eine Energie von 10¹⁵ GeV (*) erzeugen. Dieser Wert liegt jenseits all dessen, was heute mit Beschleunigern möglich ist. Zum Vergleich: Am CERN in Genf wird zurzeit mit dem LHC der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt gebaut. In ihm werden bei Teilchenkollisionen erstmals Energien von 10⁶ GeV möglich sein. Und um den Zustand herbeizuführen, bei dem alle vier Kräfte gleich stark werden (Supersymmetrie), müßte sogar eine Energie von 10¹⁹ GeV aufgewandt werden.

Meiner Ansicht nach wird der Erfolg bei der Suche nach der "Weltformel" das (wissenschaftliche) Verständnis der Welt einen großen Schritt voranbringen. Sozusagen eine kleine Erleuchtung auf naturwissenschaftlichem Wege.


Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften der vier Kräfte:

Kraft	relative Stärke	Reichweite [m]	Austauschteilchen	Masse des Austauschteilchens [GeV/c2]	Beispiele
elektromagnetisch	10-2	unendlich	Photon	0	Elektrizität, Licht
Gravitation	10-41	unendlich	Graviton (nur postuliert)	0	Erdanziehung, System Erde-Mond
stark	1	10-15	Gluonen	0	Zusammenhalt des Atomkerns
schwach	10-14	10-17	W+, W -, Z0	80, 80, 91	Radioaktivität (ß-Zerfall)

[m = Meter; 1 GeV/c² = 1,8 * 10^-27 kg]

(* 1 GeV = 1 Giga-Elektronenvolt = 10⁹ eV = 1,6 * 10^-10 Joule)