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Wechselwirkung,

 

1) allgemein: Zusammenhang durch gegenseitige Beeinflussung.

 

 2) Philosophie und Psychologie: die gegenseitige Zuordnung und Ergänzung von Ursachen, z. B. der Form und des Stoffes, der Zweck- und der Wirkursache, wobei die eine Ursache jeweils Bedingung für die Auswirkung der anderen ist. - Nach I. Kant ist Wechselwirkung als eine Kategorie der Relation ein für die Erfahrung grundlegender Begriff, der Gegebenheiten und Vorgänge zur Einheit der Sinnenwelt zusammenfasst. - Eine besondere Art der Wechselwirkung besteht zwischen Leib und Seele, insofern diese wechselseitig aufeinander Einfluss nehmen und jeder physische und jeder psychische Prozess auch eine entsprechende psychische beziehungsweise physische Wirkung hat. Die Theorie der Wechselwirkung ist ein vom psychophysischen Parallelismus zu unterscheidendes Lösungsmodell für das Leib-Seele-Problem.

 

 3) Physik: die gleichzeitige gegenseitige Beeinflussung lokalisierbarer physikalischer Objekte, z. B. Systeme von Teilchen oder Strömen durch zwischen ihnen wirkende Kräfte beziehungsweise Kraftfelder, oder verschiedener kontinuierlich verteilter Feldkonfigurationen, z. B. von Materiefeldern durch Koppelung über entsprechende Eichfelder; dabei ändern sich im Allgemeinen Energie und Impuls sowie Drehimpuls und gegebenenfalls elektrische Ladung u. a. innere Eigenschaften der in Wechselwirkung stehenden Materie. Die Untersuchung der Wechselwirkung von Materie gehört zu den zentralen Aufgaben der Physik und ist von grundlegender Bedeutung für das physikalische Weltbild.

 

Die Wechselwirkung wird in der nichtrelativistischen Mechanik durch die entgegengesetzt gleichen Kräfte (actio = reactio) der Systeme aufeinander beschrieben, die augenblicklich über beliebige Entfernungen wirken (Fernwirkung); nach der relativistischen Physik erfolgt die Wechselwirkung gemäß dem huygensschen Prinzip durch Elementaranregungen, die sich von jedem beliebigen Raum-Zeit-Punkt aus mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten (Nahewirkung). Eine Wechselwirkung heißt lokal, wenn sie in jedem Raum-Zeit-Punkt x (r, t ) unabhängig von allen anderen Punkten x' ≠ x eingeführt werden kann; andernfalls heißt die Wechselwirkung nichtlokal. Die lokale Wechselwirkung verschiedener Felder - oder eines Feldes mit sich selbst (Selbstwechselwirkung) - wird durch eine Wechselwirkungsdichte beschrieben, in die die Felder oder deren Ableitungen allein am Punkt x sowie bestimmte Kopplungskonstanten eingehen. Sind diese Kopplungen für alle an der spezifischen Wechselwirkung beteiligten Objekte gleich, heißt die Wechselwirkung universell. Für nichtlokale Wechselwirkung erfolgt die Koppelung verschiedener Felder als Integral über diese Felder an verschiedenen Punkten mit bestimmten Einflussfunktionen K (x₁, x₂,. ..); im Allgemeinen erweisen sich solche nichtlokalen Wechselwirkungen als akausal.

 

Alle in der Natur vorkommenden Kräfte lassen sich nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik auf vier fundamentale Wechselwirkungen (Kopplungen) zwischen den Grundbausteinen der Materie, den Quarks und Leptonen, zurückführen, die durch den Austausch von Teilchen (Feldquanten, Wechselwirkungsquanten) vermittelt werden. Diese Wechselwirkungen sind: die starke, die elektromagnetische, die schwache Wechselwirkung und die Gravitation. Ursache der Verschiedenartigkeit dieser Kräfte sind ihre unterschiedliche Reichweite (dieser Unterschied wird bei kleineren Abständen beziehungsweise höheren Energien immer unbedeutender) und Stärke sowie die der Theorie zugrunde liegende innere Symmetriegruppe, die die Art der Wechselwirkung und die verschiedenen dabei austauschbaren Teilchen festlegt. Die Stärke einer Wechselwirkung ist proportional zur jeweils wechselwirkungsspezifischen (und im Allgemeinen energieabhängigen) Kopplungskonstanten. Makroskopische Körper unterliegen lediglich der elektromagnetischen Wechselwirkung und der Gravitation, deren Reichweiten über den subatomaren Bereich hinausgehen. Quarks unterliegen der starken, der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung; unter den Leptonen unterliegen das Elektron, das Myon und das Tauteilchen der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung, Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung. - Komplexe Phänomene, die bei ihrer mathematischen Beschreibung nicht auf elementare Wechselwirkungsprozesse zurückgeführt werden können, werden häufig auch durch eine »effektive Wechselwirkung« erfasst, die aus Modellvorstellungen und empirischen Beziehungen gewonnen wird.

 

Im Rahmen der Quantenfeldtheorie lassen sich sämtliche Wechselwirkungen als Eichfeldtheorien formulieren, und die die Wechselwirkung übertragenden Felder (Eichfelder) haben masselose Anregungsquanten, die als Teilchen (Eichbosonen) interpretiert werden. Bei einer Wechselwirkung zwischen zwei Materieteilchen werden diese Eichbosonen ausgetauscht. Unter Aussendung eines Eichbosons kann ein Teilchen in ein anderes übergehen; man spricht dann von einem durch die entsprechende Wechselwirkung induzierten Zerfall.

 

Die starke Wechselwirkung besitzt eine Reichweite von weniger als etwa 10^-15 m. Sie ist die stärkste der vier Wechselwirkungen und bewirkt den Zusammenhalt von Protonen und Neutronen im Atomkern. Die Protonen und Neutronen (sowie alle anderen Hadronen) sind aus Quarks aufgebaut, die durch die starke Wechselwirkung aneinander gebunden sind (Quantenchromodynamik). Die Eichbosonen der starken Wechselwirkung sind die masselosen Gluonen. Sie unterliegen selbst der starken Wechselwirkung und sind, wegen der Größe der starken Kopplungskonstante, wie die Quarks in Hadronen eingebunden. Sie sind daher nicht als freie Teilchen beobachtbar, sodass die Reichweite der starken Wechselwirkung entsprechend beschränkt ist.

 

Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen zwei Körpern hängt von deren elektrischen Ladungen und magnetischen Momenten ab. Die elektrostatische Komponente ist proportional zum Produkt der elektrischen Ladungen und anziehend im Falle entgegengesetzter, abstoßend bei gleichen Ladungen. Ihre Reichweite ist nicht beschränkt, aber ihre Stärke fällt mit zunehmendem Abstand r zwischen den beteiligten Körpern mit 1 / r² (coulombsches Gesetz). Die Eichbosonen der elektromagnetischen Wechselwirkung sind die Photonen, die keine elektrische Ladung tragen und masselos sind, was die große Reichweite erklärt. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist verantwortlich für den Zusammenhalt von Atomen und Molekülen (chemische Bindung) und damit auch für die chemischen und mechanischen Eigenschaften von Stoffen sowie für die Phänomene in der Festkörperphysik, Elektronik, Elektrotechnik und Optik. Viele dieser Phänomene (z. B. der elektrische Widerstand) werden am geeignetsten durch Modelle einer effektiven Wechselwirkung und deren Elementaranregungen beschrieben (beim Widerstand z. B. die Elektron-Phonon-Wechselwirkung).

 

Die schwache Wechselwirkung besitzt lediglich eine Reichweite von etwa 10^-18 m und bewirkt z. B. den Betazerfall. Sie besitzt die Fähigkeit, die elektrischen Ladungen der beteiligten Teilchen zu verändern, und ist nicht invariant unter räumlichen Spiegelungen (Paritätsverletzung, Parität). Die Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung sind die elektrisch geladenen W-Bosonen und das elektrisch neutrale Z-Boson. Sie tragen selbst schwache Ladungen und sind massiv. Ihre aus einem zusätzlichen Mechanismus der Symmetriebrechung (Higgs-Mechanismus) resultierende Masse erklärt die beschränkte Reichweite der schwachen Wechselwirkung. Die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung lassen sich als elektroschwache Wechselwirkung in der Glashow-Salam-Weinberg-Theorie gemeinsam beschreiben.

 

Die Gravitationswechselwirkung (Gravitation) zwischen zwei Körpern ist immer anziehend, proportional dem Produkt ihrer Massen und wegen der Kleinheit der Gravitationskopplungskonstante nur dann von Bedeutung, wenn mindestens einer der Körper astronomische Ausmaße besitzt. Die Gravitation bestimmt daher das Verhalten von Planeten, Sternen und Galaxien, im atomaren Bereich ist sie aber vernachlässigbar klein. Ihre Reichweite ist ebenfalls nicht beschränkt, jedoch mit 1 / r² abfallend. Die Feldquanten des Gravitationsfeldes werden Gravitonen genannt. Sie tragen keine Ladungen und sind entsprechend der unbeschränkten Reichweite des Gravitationsfeldes masselos; ihre Existenz konnte jedoch noch nicht nachgewiesen werden.

 

Alle vier bekannten Wechselwirkungen lassen für abgeschlossene Gesamtsysteme Energie, Impuls, Drehimpuls, elektrische Ladung, Baryonenzahl und Leptonenzahl unverändert. Es gibt Hypothesen über eine mögliche Zusammenfassung der starken, der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung in einer Großen Vereinheitlichten Theorie. Derartige Theorien würden die Existenz weiterer Eichbosonen (X-Bosonen) verlangen, die mit einer Masse von mindestens 10¹⁶ GeV/c² sehr viel schwerer wären als alle bisher bekannten Feldquanten und daher nur indirekt nachweisbar wären. Der Nachweis würde auf ihrer Fähigkeit beruhen, Quarks und Leptonen ineinander umzuwandeln (d. h. Baryonen- und Leptonenzahl zu verändern) und daher z. B. den Zerfall des Protons in ein neutrales Pion und ein Positron zu ermöglichen. In bisherigen Experimenten ist Protonzerfall jedoch noch nicht beobachtet worden, woraus sich die genannte untere Schranke für die Masse dieser Eichbosonen ergibt. - Noch weiter gehend ist eine mögliche gemeinsame Beschreibung sämtlicher Wechselwirkungen im Rahmen einer Stringtheorie. Einerseits löst die Stringtheorie die Probleme, die bei der theoretischen Behandlung der Gravitation in der Quantenfeldtheorie auftreten, und sie kann weitere Wechselwirkungen mit zugehörigen Eichbosonen enthalten. Andererseits ist aufgrund der komplexen Strukturen der Stringtheorie jedoch noch nicht bekannt, ob in ihr die Art der Wechselwirkung sowie die Eigenschaften weiterer Teilchen mit den bisher beobachteten vereinbar sind.

 

 

Literatur:

 

O. Madelung: Festkörpertheorie, Bd. 2: W. (1972);

 P. Becher u. a.: Eichtheorien der starken u. elektroschwachen W. (²1983);

 K. Gottfried u. V. F. Weisskopf: Concepts of particle physics, 2 Bde. (Oxford 1984-86);

 E. K. U. Gross u. E. Runge: Vielteilchentheorie (1986);

 A. Pais: Inward bound. Of matter and forces in the physical world (Oxford 1986, Nachdr. ebd. 1995);

 C. Kittel u. C. Y. Fong: Quantentheorie der Festkörper (a. d. Engl., ³1989);

 K. Bethge u. U. E. Schröder: Elementarteilchen u. ihre W. (²1991);

 O. Nachtmann: Phänomene u. Konzepte der Elementarteilchenphysik (Neuausg. 1991);

 E. Lohrmann: Hochenergiephysik (⁴1992);

 L. C. Pauling: The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals. An introduction to the modern structural chemistry (Neudr. Ithaca, N. Y., 1993);

 

Teilchen, Felder, Symmetrien. Quantenfeldtheorie u. die Einheit der Naturgesetze, Beitrr. v. H. G. Dosch u. a. (Neuausg. ²1995).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Licht: Informationen aus dem Weltall

 

Materie: Die atomare Struktur

 

Quantenphysik und eine neue Deutung der Naturgesetze

 

Wechselwirkung,

 

im psychophysischen Sinne Leib-Seele-Problem.

Wechselwirkung,

 

in der Soziologie das Aufeinanderbezogensein sozialen Handelns als eine der Grundvoraussetzungen für soziale Gebilde.

Wechselwirkung,

 

in der Statistik Interaktion.