Hvorfor er stærk kernekraft kun inden for korte afstande?

Af de fire naturlige kræfter, kendt som de stærke, svage, tyngdekraft og elektromagnetiske kræfter, er det passende navngivet stærk kraft dominerer over de andre tre og har til opgave at holde atomkernen sammen. Dens rækkevidde er dog meget lille - omkring diameteren af ​​en mellemstor kerne. Utroligt nok, hvis den stærke kraft arbejdede over lange afstande, ville alt i den velkendte verden - søer, bjerge og levende ting - blive knust til en klump på størrelse med en enkelt stor bygning.

Hvert atom i universet består af en kerne omgivet af en sky af en eller flere elektroner. Kernen indeholder igen en eller flere protoner; alle atomer, der sparer brint, har også neutroner. Den stærke kraft får protoner og neutroner til at tiltrække hinanden, så de forbliver sammen i kernen; dog tiltrækker de ikke protoner og neutroner fra nærliggende atomer, fordi den stærke kraft har ringe effekt uden for kernen.

Protoner er partikler med en positiv elektrisk ladning. Fordi ligesom ladninger frastøder, oplever protoner en frastødende kraft, når de nærmer sig hinanden, og kraften øges hurtigt, når de kommer tættere på. Den elektromagnetiske kraft, der frembringer frastød, virker over store afstande, så medmindre anden kraft virker på protonerne, rører de ikke hinanden. Neutroner har derimod ingen afgift; frie neutroner bevæger sig uhindret rundt. Når protoner og neutroner kommer inden for ca. en billiontedel af en millimeter, tager den stærke kraft dog over og partiklerne klæber sammen.

Den moderne teori, der styrer de fire grundlæggende kræfter, foreslår, at de er et produkt af udveksling frem og tilbage af små partikler, ligesom i et spil ping-pong. I dette spil sætter Heisenberg Usikkerhedsprincippet reglerne - tunge partikler kan bevæge sig mellem korte afstande, mens lette partikler når lange afstande. I tilfælde af elektromagnetisme er partiklerne fotoner, der ikke har nogen masse; den elektromagnetiske kraft strækker sig til en uendelig afstand. Meget tunge partikler kaldet pioner formidler imidlertid den stærke kraft, så dens rækkevidde er ekstremt kort.

Tyngdekraften holder solen og andre stjerner sammen; den enorme masse af brint og heliumgas producerer gigantiske tryk i kernen og tvinger protoner og neutroner sammen. Når de kommer tæt på, kommer den stærke kraft i spil, og de holder sammen, frigiver energi i processen og omdanner brint til helium. Forskere kalder dette en fusionsreaktion, og den producerer 10 millioner gange så meget energi som kemiske reaktioner såsom forbrænding af kul eller benzin.

En neutronstjerne er resten af ​​en eksplosion, der finder sted i slutningen af ​​stjernens liv. Det er et ultratæt objekt, der består af en stjernemasse komprimeret til et område på størrelse med Manhattan. I neutronstjernen dominerer den stærke kraft, fordi eksplosionen har tvunget alle protoner og neutroner sammen. Stjernen har ingen atomer; det er blevet en stor kugle af partikler. Fordi atomer for det meste er tomme rum, og neutronstjernen har alt plads presset ud, er dens densitet enorm. En teskefuld neutronstjernemateriale ville veje 10 millioner tons. Fordi Jorden er lavet af atomer, hvis den stærke kraft på en eller anden måde pludselig handlede over lange afstande, alle protoner og neutroner klumper sig sammen, hvilket resulterer i en kugle med et par hundrede meters diameter og har alle jordens original masse.