Das Boson

Die uns bekannte Materie besteht aus Bosonen und Fermionen. Ein Boson ist ein geselliges Teilchen. Während Fermionen Zustände ausschließlich allein besetzen, passen beliebig viele Bosonen in einen einzigen Zustand. Der Zustand eines Teilchen ist definiert durch seine Energie und seinen Spin. Bosonen sind Teilchen mit ganzzahligem Spin. Sie folgen deshalb der Bose-Einstein-Statistik, nach der unbegrenzt viele Teilchen mit gleicher Energie und gleichem Spin am selben Ort sein können. Dies lässt sich in der Bose-Einstein-Kondensation beobachten.

Das prominenteste Boson ist zweifellos das Photon, dass Masselose Elementarteilchen des Lichts. Aus Photonen setzt sich jede Form von elektromagnetischer Strahlung zusammen, von kosmischer Hintergrundstrahlung über das Licht der Sonne bis hin zur Röntgenstrahlung. Photonen transportieren Energie von einem System zum anderen, z.B. die Energie von der Sonne zu Erde.

Physikalisch ist noch eine andere Gruppe Bosonen interessant: Die Austausch- oder Wechselwirkungsteilchen. Weil zwei Elektronen, da sie Fermionen sind, sich nicht im selben Zustand aufhalten können, können sie auch nicht unmittelbar wechselwirken. Statt dessen tauschen sich ständig Bosonen, so genannte virtuelle Photonen, aus.

Stark abstrahiert kann man sich die elektrische Abstoßung zwischen zwei Elektronen als ständigen Austausch Bosonenboten vorstellen. Durch Bosonenaustausch ist ein Elektron immer darüber informiert, was ein anderes Elektron tut, und kann sich dementsprechend von ihm weg bewegen. Das virtuelle Photon vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen beiden, die Coulomb-Kraft. Genauso funktionieren die schwache und die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Bosonen, nämlich W- und Z-Bosonen so wie Gluonen.

Auch die Reichweite einer Kraft beziehungsweise Wechselwirkung ist abhängig von ihren Austauschbosonen. Das virtuelle Photon ist Masse los, daher hat die elektromagnetische Kraft unendliche Reichweite; W- und Z-Bosonen sind sehr schwer, weshalb die schwache Kraft nur kurzreichweitig ist.

Neben diesen gibt es noch viele weitere Bosonen, beispielsweise geradzahlige Atomkerne, die meisten Atome und Moleküle. Die Bosonen sind jeweils aus mehreren Fermionen zusammengesetzt, und zwar so, dass sie insgesamt ganzzahligen Spin haben.