Wenn sich zwei elektrische Ladungen anziehen oder abstoßen, dann tun sie das, indem sie das Photonenfeld beeinflussen; die beiden Ladungen verändern das Photonenfeld und das wiederum ändert die Energie der Teilchen, so dass sie eine Kraft erfahren.
Man kann sich diese Wechselwirkung zwischen Teilchen auch mit Hilfe von Feynman-Diagrammen veranschaulichen, die quasi bildlich die Wechselwirkung zwischen den Elektronen darstellen:
Links und rechts seht ihr die Elektronen (mit e– gekennzeichnet), in der Mitte das Photon. Das Diagramm ist so gemeint, dass die zeit von unten nach oben läuft, der Ort von links nach rechts. (Details der Anordnung spielen keine Rolle, weil man rechnerisch eh alle denkbare Punkte, an denen die Elektronen das Photon aussenden oder absorbieren, berücksichtigen muss.)
Solche Diagramme sind keine bloße Anschauungshilfe, sondern tatsächlich verkappte mathematische Gleichungen – wie man mit ihnen was ausrechnet, habe ich vor langer zeit mal im Detail erklärt. In diesem Bild sagt man auch gern, dass das eine Teilchen ein Photon aussendet, das vom anderen teilchen wieder absorbiert wird. (Allerdings muss man beim Interpretieren solcher Diagramme ein bisschen aufpassen, die können die Intuition manchmal auch in die Irre führen.) Das ausgetauschte Photon wird auch gern als “virtuelles Photon” bezeichnet, weil es keins ist, das von Außen beobachtet wird. Deshalb sagt man auch gern, dass Kräfte durch den Austausch virtueller Teilchen vermittelt werden.
Photonen reagieren nur auf elektrisch geladene Teilchen – von ungeladenen Teilchen wie zum Beispiel Neutrinos merken sie nichts. Man sagt deshalb auch gern im Physik-Jargon “das Photon koppelt an elektrische Ladungen”.
Elementarteilchen haben auch eine Masse. Wenn ein Teilchen, so wie das Photon, als Austauschteilchen agiert und eine Kraft überträgt, dann ist die Reichweite der Kraft um so kürzer, je größer die Masse der Teilchen ist. Ein virtuelles Teilchen mit einer Masse hat nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, eine große Strecke zurückzulegen. (Im Detail habe ich das hier vorgeführt). Häufig wird das so erklärt, dass sich wegen der Unschärferelation die Teilchen “Energie aus dem Vakuum borgen müssen”, und die Zeit, die man dafür zur Verfügung hat, ist um so kleiner, je größer die Masse ist. Das ist zwar nett und klingt auch plausibel (steht soweit ich weiß sogar irgendwo bei Wikipedia), hat aber den kleinen Nachteil, dass es falsch ist – virtuelle Teilchen verletzen nämlich gar nicht die Energieerhaltung (klickt den Link, wenn ihr mehr wissen wollt).
Die Reichweite der elektromagnetischen Kraft ist sehr groß, so dass wir wissen, dass die Masse des Photons winzig klein sein muss. Tatsächlich geht man meist davon aus, dass das Photon überhaupt keine Ruhemasse hat – 100% sicher kann man das zwar nicht wissen, aber ich gehe im Folgenden auch mal davon aus.
Neben dieser elektromagnetischen Kraft gibt es auch noch die sogenannte schwache Kernkraft. Deren Quantentheorie ist der der Photonen sehr ähnlich (und tatsächlich fasst man die beiden inzwischen zur elektroschwachen Wechselwirkung zusammen – ein bisschen mehr darüber gibt es hier), aber hier haben die Austauschteilchen eine Masse, so dass die Wechselwirkung nur eine sehr kurze Reichweite hat. Sie ist aber verantwortlich für radioaktive Zerfälle und andere Kernreaktionen – ohne die Schwache Kernkraft gäbe es keine Sonne, weil in der Sonne bei der Kernfusion Protonen zu Neutronen umgewandelt werden müssen, und das erledigt genau die schwache Kernkraft.
Auch die starke Kernkraft ist auf kurze Reichweiten beschränkt. Hier ist der Grund ein anderer – die Austauschteilchen der starken Kernkraft sind zwar masselos (mit dem gleichen Vorbehalt wie beim Photon), sie tragen aber auch selbst eine (Kernkraft-)Ladung, das heißt, sie ziehen sich auch gegenseitig an. Um sie über lange Reichweiten laufen zu lassen, bräuchte man deswegen gewaltig viel Energie. Die starke Kernkraft ist aber auf kurzer Reichweite sehr effektiv darin, Teilchen zusammenzuhalten – sie ist letztlich verantwortlich dafür, dass es Protonen und Neutronen gibt (die aus kleineren Teilchen, den Quarks, bestehen) und dafür, dass Atomkerne zusammenhalten. Ohne starke Kernkraft gäbe es auch keine Sonne, weil bei der Kernfusion keine Energie gewonnen würde.
Kommentare (129)