لماذا القوة النووية القوية فقط في مسافات قصيرة المدى؟

من بين القوى الطبيعية الأربعة ، والمعروفة باسم القوى القوية والضعيفة والجاذبية والكهرومغناطيسية ، فإن الجاذبية تهيمن القوة القوية المسماة على الثلاثة الأخرى ولها وظيفة الاحتفاظ بالنواة الذرية سويا. مداها صغير جدًا ، مع ذلك - يبلغ قطر نواة متوسطة الحجم تقريبًا. بشكل مثير للدهشة ، إذا عملت القوة القوية على مسافات طويلة ، فسيتم سحق كل شيء في العالم المألوف - البحيرات والجبال والكائنات الحية - في كتلة بحجم مبنى واحد كبير.

تتكون كل ذرة في الكون من نواة محاطة بسحابة من إلكترون واحد أو أكثر. تحتوي النواة بدورها على بروتون واحد أو أكثر ؛ جميع الذرات باستثناء الهيدروجين لها نيوترونات أيضًا. تتسبب القوة الشديدة في جذب البروتونات والنيوترونات لبعضها البعض بحيث تبقى معًا في النواة ؛ ومع ذلك ، فهي لا تجتذب البروتونات والنيوترونات من الذرات المجاورة لأن القوة القوية لها تأثير ضئيل خارج النواة.

البروتونات هي جسيمات ذات شحنة كهربائية موجبة. نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر ، تتعرض البروتونات لقوة تنافر عندما تقترب من بعضها البعض ، وتزداد القوة بسرعة كلما اقتربت. تعمل القوة الكهرومغناطيسية التي تنتج التنافر على مسافات كبيرة ، لذلك ما لم تؤثر قوة أخرى على البروتونات ، فإنها لا تلامس بعضها البعض. من ناحية أخرى ، فإن النيوترونات ليس لها شحنة ؛ تتحرك النيوترونات الحرة دون عوائق. عندما تقترب البروتونات والنيوترونات من حوالي تريليون من المليمتر ، فإن القوة الشديدة تسيطر وتلتصق الجسيمات ببعضها البعض.

تقترح النظرية الحديثة التي تحكم القوى الأساسية الأربع أنها نتاج عمليات التبادل ذهابًا وإيابًا للجسيمات الصغيرة ، كما هو الحال في لعبة بينج بونج. في هذه اللعبة ، يحدد مبدأ عدم اليقين Heisenberg القواعد - يمكن للجسيمات الثقيلة أن تتحرك بين مسافات قصيرة ، بينما تصل الجسيمات الخفيفة إلى مسافات طويلة. في حالة الكهرومغناطيسية ، تكون الجسيمات عبارة عن فوتونات ليس لها كتلة ؛ تمتد القوة الكهرومغناطيسية إلى مسافة لا نهائية. الجسيمات الثقيلة جدًا التي تسمى pions تتوسط القوة الشديدة ، ومع ذلك ، فإن مداها قصير للغاية.

الجاذبية تحافظ على الشمس والنجوم الأخرى معًا ؛ تنتج الكتلة الهائلة من الهيدروجين وغاز الهليوم ضغوطًا هائلة في اللب ، مما يجبر البروتونات والنيوترونات معًا. عندما يقتربون ، تلعب القوة القوية دورها ويلتصقون ببعضهم البعض ، ويطلقون الطاقة في العملية ويحولون الهيدروجين إلى هيليوم. يطلق العلماء على هذا تفاعل الاندماج ، وينتج 10 ملايين ضعف طاقة التفاعلات الكيميائية مثل حرق الفحم أو البنزين.

النجم النيوتروني هو بقايا انفجار يحدث في نهاية حياة النجم. إنه جسم فائق الكثافة ، يتكون من كتلة نجم مضغوطة في منطقة بحجم مانهاتن. في النجم النيوتروني ، تسود القوة الشديدة لأن الانفجار دفع كل البروتونات والنيوترونات معًا. النجم ليس له ذرات. لقد أصبحت كرة كبيرة من الجسيمات. لأن الذرات هي في الغالب مساحة فارغة ، والنجم النيوتروني قد تقلص كل الفضاء ، فإن كثافته هائلة. يمكن أن تزن ملعقة صغيرة من مادة النجوم النيوترونية 10 ملايين طن. لأن الأرض مكونة من ذرات ، إذا تحركت القوة القوية بطريقة ما فجأة على مسافات طويلة ، فإن كل البروتونات و سوف تتجمع النيوترونات معًا ، مما ينتج عنه كرة يبلغ قطرها بضع مئات من الأمتار ولها كل الأرض الكتلة الأصلية.