Von den vier Naturkräften, die als starke, schwache, Gravitations- und elektromagnetische Kräfte bekannt sind, ist die treffend Die genannte starke Kraft dominiert die anderen drei und hat die Aufgabe, den Atomkern zu halten zusammen. Seine Reichweite ist jedoch sehr klein – etwa der Durchmesser eines mittelgroßen Kerns. Erstaunlicherweise würde alles in der vertrauten Welt – Seen, Berge und Lebewesen – zu einem Klumpen von der Größe eines einzigen großen Gebäudes zerquetscht werden, wenn die starke Kraft über große Entfernungen wirkt.
Atomkern und die starke Kraft
Jedes Atom im Universum besteht aus einem Kern, der von einer Wolke aus einem oder mehreren Elektronen umgeben ist. Der Kern enthält wiederum ein oder mehrere Protonen; alle Atome außer Wasserstoff haben auch Neutronen. Die starke Kraft bewirkt, dass sich Protonen und Neutronen gegenseitig anziehen, sodass sie im Kern zusammenbleiben; Allerdings ziehen sie die Protonen und Neutronen benachbarter Atome nicht an, da die starke Kraft außerhalb des Kerns wenig Wirkung hat.
Die starken und elektromagnetischen Kräfte
Protonen sind Teilchen mit positiver elektrischer Ladung. Da sich Protonen wie Ladungen abstoßen, erfahren sie eine abstoßende Kraft, wenn sie sich einander nähern, und die Kraft nimmt schnell zu, wenn sie sich nähern. Die elektromagnetische Kraft, die die Abstoßung erzeugt, wirkt über große Entfernungen, so dass sich die Protonen nicht berühren, es sei denn, eine andere Kraft wirkt auf die Protonen. Neutronen hingegen haben keine Ladung; freie Neutronen bewegen sich ungehindert. Kommen Protonen und Neutronen jedoch auf etwa einen Billionstel Millimeter heran, übernimmt die starke Kraft und die Teilchen kleben zusammen.
Partikel-Pingpong
Die moderne Theorie der vier fundamentalen Kräfte geht davon aus, dass sie das Produkt des hin- und hergehenden Austauschs winziger Teilchen sind, ähnlich wie bei einem Ping-Pong-Spiel. In diesem Spiel gibt das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip die Regeln vor – schwere Teilchen können sich über kurze Distanzen bewegen, während leichte Teilchen große Distanzen erreichen. Beim Elektromagnetismus sind die Teilchen Photonen, die keine Masse haben; die elektromagnetische Kraft erstreckt sich bis ins Unendliche. Sehr schwere Teilchen, sogenannte Pionen, vermitteln die starke Kraft jedoch, sodass ihre Reichweite extrem gering ist.
Kernfusion
Die Schwerkraft hält die Sonne und andere Sterne zusammen; Die riesige Masse von Wasserstoff- und Heliumgas erzeugt im Kern gigantische Drücke, die Protonen und Neutronen zusammenpressen. Wenn sie sich nähern, kommt die starke Kraft ins Spiel und sie kleben zusammen, setzen dabei Energie frei und wandeln Wasserstoff in Helium um. Wissenschaftler nennen dies eine Fusionsreaktion, und sie produziert 10 Millionen Mal so viel Energie wie chemische Reaktionen wie das Verbrennen von Kohle oder Benzin.
Neutronensterne
Ein Neutronenstern ist der Überrest einer Explosion, die am Ende des Lebens des Sterns stattfindet. Es ist ein ultradichtes Objekt, das aus der Masse eines Sterns besteht, die auf eine Fläche von der Größe Manhattans komprimiert ist. Im Neutronenstern dominiert die starke Kraft, weil die Explosion alle Protonen und Neutronen zusammengedrängt hat. Der Stern hat keine Atome; es ist eine große Kugel aus Partikeln geworden. Da Atome größtenteils leerer Raum sind und der Neutronenstern den gesamten Raum ausgequetscht hat, ist seine Dichte enorm. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie würde 10 Millionen Tonnen wiegen. Da die Erde aus Atomen besteht, werden alle Protonen und Neutronen würden zusammenklumpen, was zu einer Kugel mit einem Durchmesser von einigen hundert Metern und der gesamten Erdoberfläche führen würde ursprüngliche Masse.