Γιατί είναι ισχυρή η πυρηνική δύναμη μόνο σε μικρές αποστάσεις;

Από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις, γνωστές ως ισχυρές, αδύναμες, βαρύτητα και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, κατάλληλα Η ονομαζόμενη ισχυρή δύναμη κυριαρχεί πάνω από τις άλλες τρεις και έχει τη δουλειά να συγκρατεί τον ατομικό πυρήνα μαζί. Το εύρος του είναι πολύ μικρό, ωστόσο - για τη διάμετρο ενός μεσαίου μεγέθους πυρήνα. Εκπληκτικά, εάν η ισχυρή δύναμη δούλευε σε μεγάλες αποστάσεις, τα πάντα στον οικείο κόσμο - λίμνες, βουνά και ζωντανά - θα συνθλίβονταν σε ένα κομμάτι του μεγέθους ενός και μόνο μεγάλου κτηρίου.

Κάθε άτομο στο σύμπαν αποτελείται από έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ένα σύννεφο ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας με τη σειρά του περιέχει ένα ή περισσότερα πρωτόνια. όλα τα άτομα εκτός από το υδρογόνο έχουν επίσης νετρόνια. Η ισχυρή δύναμη προκαλεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια να προσελκύουν το ένα το άλλο έτσι ώστε να παραμένουν μαζί στον πυρήνα. Ωστόσο, δεν προσελκύουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια των γειτονικών ατόμων επειδή η ισχυρή δύναμη έχει μικρή επίδραση έξω από τον πυρήνα.

Τα πρωτόνια είναι σωματίδια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Επειδή όπως τα φορτία απωθούν, τα πρωτόνια βιώνουν μια απωστική δύναμη καθώς πλησιάζουν το ένα το άλλο και η δύναμη αυξάνεται γρήγορα καθώς πλησιάζουν. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που παράγει την απώθηση δρα σε μεγάλες αποστάσεις, οπότε εκτός αν κάποια άλλη δύναμη δρα στα πρωτόνια, δεν αγγίζουν το ένα το άλλο. Τα νετρόνια, από την άλλη πλευρά, δεν έχουν καμία επιβάρυνση. ελεύθερα νετρόνια κινούνται χωρίς εμπόδια. Όταν τα πρωτόνια και τα νετρόνια έρχονται περίπου στο ένα τρισεκατομμύριο του χιλιοστού, ωστόσο, η ισχυρή δύναμη αναλαμβάνει και τα σωματίδια κολλάνε μεταξύ τους.

Η σύγχρονη θεωρία που διέπει τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις προτείνει ότι είναι το προϊόν ανταλλαγών μικροσκοπικών σωματιδίων, όπως σε ένα παιχνίδι πινγκ-πονγκ. Σε αυτό το παιχνίδι, η αρχή της αβεβαιότητας Heisenberg θέτει τους κανόνες - τα βαριά σωματίδια μπορούν να κινηθούν μεταξύ μικρών αποστάσεων, ενώ τα ελαφριά σωματίδια φτάνουν σε μεγάλες αποστάσεις. Στην περίπτωση του ηλεκτρομαγνητισμού, τα σωματίδια είναι φωτόνια, τα οποία δεν έχουν μάζα. η ηλεκτρομαγνητική δύναμη εκτείνεται σε άπειρη απόσταση. Ωστόσο, πολύ βαριά σωματίδια που ονομάζονται πιόνια μεσολαβούν στην ισχυρή δύναμη, οπότε το εύρος του είναι εξαιρετικά μικρό.

Η βαρύτητα συγκρατεί τον ήλιο και άλλα αστέρια μαζί. Η τεράστια μάζα υδρογόνου και αερίου ηλίου παράγει τεράστιες πιέσεις στον πυρήνα, αναγκάζοντας τα πρωτόνια και τα νετρόνια να ενώσουν μαζί. Όταν πλησιάζουν, η ισχυρή δύναμη μπαίνει στο παιχνίδι και κολλάνε μεταξύ τους, απελευθερώνοντας ενέργεια στη διαδικασία και μετατρέποντας το υδρογόνο σε ήλιο. Οι επιστήμονες το αποκαλούν αντίδραση σύντηξης και παράγει 10 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από τις χημικές αντιδράσεις όπως η καύση άνθρακα ή βενζίνης.

Ένα αστέρι νετρονίων είναι το υπόλοιπο μιας έκρηξης που συμβαίνει στο τέλος της ζωής του αστεριού. Είναι ένα εξαιρετικά πυκνό αντικείμενο, που αποτελείται από μια μάζα ενός αστεριού που συμπιέζεται σε μια περιοχή μεγέθους του Μανχάταν. Στο αστέρι νετρονίων, η ισχυρή δύναμη κυριαρχεί επειδή η έκρηξη ανάγκασε όλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί. Το αστέρι δεν έχει άτομα. έχει γίνει μια μεγάλη μπάλα σωματιδίων. Επειδή τα άτομα είναι ως επί το πλείστον κενό χώρο, και το αστέρι νετρονίων έχει όλο το χώρο που συμπιέζεται, η πυκνότητά του είναι τεράστια. Ένα κουταλάκι του γλυκού ουσία νετρονίων θα ζυγίζει 10 εκατομμύρια τόνους. Επειδή η Γη είναι φτιαγμένη από άτομα, αν η ισχυρή δύναμη κάπως ξαφνικά ενήργησε σε μεγάλες αποστάσεις, όλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα συγκεντρωθούν, με αποτέλεσμα μια σφαίρα σε διάμετρο εκατοντάδων μέτρων και να έχει όλη τη Γη αρχική μάζα.