Was ist die stärkste Kraft im Universum?

Wenn es um die fundamentalen Naturgesetze geht, können wir alles in vier Kräfte zerlegen, die den Kern von allem im Universum bilden:

1. Die starke Kernkraft: Die Kraft, die dafür verantwortlich ist, Atomkerne und einzelne Protonen und Neutronen zusammenzuhalten.
2. Die elektromagnetische Kraft: die Kraft, die geladene Teilchen anzieht und abstößt, Atome zu Molekülen und Leben zusammenhält und unter anderem elektrischen Strom verursacht.
3. Die schwache Kernkraft: Die Kraft, die für einige Arten des radioaktiven Zerfalls und die Umwandlung schwerer, instabiler fundamentaler Teilchen in leichtere verantwortlich ist.
4. Und Schwerkraft: die Kraft, die die Erde, das Sonnensystem und die Sterne und Galaxien miteinander verbindet.

Je nachdem, wie Sie es betrachten, hat jede Kraft eine Skala und einen Umstand, unter dem sie über allen anderen leuchtet.

Gehen Sie auf die kleinsten Skalen – 10 ^ -16 Meter oder eine Million Mal kleiner als ein Atom – und die starke Kernkraft kann alle anderen überwinden. Nehmen wir zum Beispiel den Heliumkern: zwei Protonen und zwei Neutronen, die in einer stabilen Konfiguration miteinander verbunden sind. Selbst die elektromagnetische Abstoßung zwischen den beiden Protonen reicht nicht aus, um die klebstoffartige starke Kraft zu überwinden, die den Kern zusammenhält. Selbst wenn Sie ein Neutron wegnehmen und zwei Protonen und nur ein Neutron übrig lassen, ist dieses Heliumisotop ebenfalls stabil. Die starke Kraft wird in den kleinsten Entfernungen konsequent alle anderen überwinden und kann daher unter vielen Umständen als die stärkste angesehen werden.

Aber versuchen Sie, Ihren Atomkern zu groß zu bauen, und die elektromagnetische Kraft übernimmt. Uran-238 zum Beispiel wird von Zeit zu Zeit einen Heliumkern ausspucken, da die Abstoßung zwischen den verschiedenen Teilen des Kerns zu groß ist, als dass die starke Kraft alles zusammenhalten könnte. Auf größeren, kosmischen Skalen sind es die intensiven Magnetfelder, die von kollabierten Sternen und schnell rotierender, geladener Materie erzeugt werden, die Teilchen auf die größten Energien im Universum beschleunigen können: die ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen, die uns aus allen Himmelsrichtungen bombardieren. Im Gegensatz zur starken Kraft gibt es keine Begrenzung für die Reichweite der elektromagnetischen Kraft; Das elektrische Feld eines Protons kann von der anderen Seite des Universums aus gefühlt werden.

Die schwache Kernkraft mag angesichts ihres Namens der lauteste Kandidat für die stärkste Kraft sein, aber selbst dieser relative Schwächling hat seine Momente zu glänzen. Unter den richtigen Bedingungen können sich die elektromagnetische Kraft (die daran arbeitet, gleich geladene Komponenten abzuwehren) und die starke Kernkraft (die daran arbeitet, Kerne zusammenzubinden) gegenseitig aufheben, wodurch die schwache Kraft mit sehr kurzer Reichweite an Bedeutung gewinnt. Wenn dies der Fall ist, kann es die Stabilität eines Systems entscheidend beeinflussen, da es einen radioaktiven (Beta-) Zerfall verursachen kann, bei dem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektronen-Neutrino umwandelt. Freie Neutronen, viele schwere Elemente und sogar Tritium, das instabile Isotop in radioaktivem (tritiiertem) Wasser, zeugen von der Kraft der schwachen Kraft.

Aber auf den größten Skalen – auf der Skala von Galaxien, Galaxienhaufen und mehr – spielt keine der oben genannten Kräfte eine so große Rolle. Selbst der Elektromagnetismus, dessen Reichweite sich über das Universum erstrecken kann, hat keine große Wirkung, da die Anzahl der positiven Ladungen (meist Protonen) und die Anzahl der negativen Ladungen (meist Elektronen) genau gleich zu sein scheint. Sogar beobachtend können wir den Ladungsunterschied im Universum auf weniger als einen Teil von 10 ^ 34 beschränken. Das Universum sagt uns, dass, obwohl der Elektromagnetismus zwischen zwei beliebigen Teilchen viel stärker sein könnte als die Schwerkraft, die Gravitation die einzige Kraft sein wird, die zählt, wenn man genug Teilchen zusammenbringt, die insgesamt elektrisch neutral (oder nahe daran) sind. Die Kernfusion und der damit verbundene Strahlungsdruck können nicht einmal Sterne auseinanderreißen, da ihre Anziehungskraft diesen energetischen Druck nach außen überwindet.

Galaxienhaufen und gewaltige, große Strukturen finden sich über mehr als eine Milliarde Lichtjahre im gesamten Universum. Wenn Sie jedoch nach Strukturen mit einem Durchmesser von 8, 10 oder 15 Milliarden Lichtjahren suchen, finden Sie im gesamten Kosmos absolut Null. Der Grund dafür ist, ziemlich rätselhaft, nicht auf eine der Kräfte zurückzuführen, die wir erwähnt haben, sondern auf ein völlig unerwartetes Phänomen: dunkle Energie.

Auf den größten Skalen reicht die grundlegende, winzige Energiemenge, die dem Weltraum selbst innewohnt – weniger als ein Joule Energie pro Kubikkilometer Raum – aus, um selbst die Gravitationsanziehung zwischen den massereichsten Galaxien und Clustern im Universum zu überwinden. Das Ergebnis? Eine beschleunigte Expansion, da sich die entferntesten Galaxien und Cluster im Laufe der Zeit immer schneller voneinander entfernen. Auf den größten kosmischen Skalen findet nicht einmal die Schwerkraft ihren Weg.

Also, wer ist der Stärkste? Auf den kleinsten Skalen ist es die starke Kraft. Um die höchsten Energien zu erreichen, ist es die elektromagnetische Kraft. Für die größten gebundenen Strukturen ist es die Schwerkraft. Und auf den größten Skalen von allen ist es das mysteriöse Rätsel der dunklen Energie. In Bezug auf die absolute Größe ist dunkle Energie das Schwächste von allen: das Universum brauchte fast die Hälfte seines Alters, um seine Auswirkungen zu enthüllen, und es wurde erst 1998 von der Menschheit entdeckt. Aber das Universum ist ein sehr großer Ort, und wenn Sie das gesamte Raumvolumen addieren und in die ferne Zukunft schauen, wird dunkle Energie die einzige Kraft sein, die am Ende zählt.