De las cuatro fuerzas naturales, conocidas como fuerzas fuertes, débiles, gravitacionales y electromagnéticas, la fuerza fuerte llamada domina sobre las otras tres y tiene el trabajo de sostener el núcleo atómico juntos. Sin embargo, su rango es muy pequeño, aproximadamente del diámetro de un núcleo de tamaño mediano. Sorprendentemente, si la fuerza fuerte trabajara a largas distancias, todo en el mundo familiar (lagos, montañas y seres vivos) sería aplastado en un bulto del tamaño de un solo edificio grande.
Núcleo atómico y fuerza fuerte
Cada átomo del universo consta de un núcleo rodeado por una nube de uno o más electrones. El núcleo, a su vez, contiene uno o más protones; todos los átomos, excepto el hidrógeno, también tienen neutrones. La fuerza fuerte hace que los protones y los neutrones se atraigan entre sí para que permanezcan juntos en el núcleo; sin embargo, no atraen los protones y neutrones de los átomos vecinos porque la fuerza fuerte tiene poco efecto fuera del núcleo.
Las fuerzas fuertes y electromagnéticas
Los protones son partículas con carga eléctrica positiva. Debido a que las cargas iguales se repelen, los protones experimentan una fuerza repulsiva cuando se acercan entre sí, y la fuerza aumenta rápidamente a medida que se acercan. La fuerza electromagnética que produce la repulsión actúa a grandes distancias, por lo que, a menos que alguna otra fuerza actúe sobre los protones, no se tocan entre sí. Los neutrones, por otro lado, no tienen carga; los neutrones libres se mueven sin obstáculos. Sin embargo, cuando los protones y neutrones se acercan a una billonésima de milímetro, la fuerza fuerte se hace cargo y las partículas se pegan.
Partícula de ping pong
La teoría moderna que gobierna las cuatro fuerzas fundamentales propone que son el producto de intercambios de partículas diminutas, como en un juego de ping-pong. En este juego, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece las reglas: las partículas pesadas pueden moverse entre distancias cortas, mientras que las partículas ligeras alcanzan largas distancias. En el caso del electromagnetismo, las partículas son fotones, que no tienen masa; la fuerza electromagnética se extiende a una distancia infinita. Sin embargo, las partículas muy pesadas llamadas piones median la fuerza fuerte, por lo que su rango es extremadamente corto.
Fusión nuclear
La gravedad mantiene juntos al sol y a otras estrellas; la enorme masa de hidrógeno y helio produce presiones gigantescas en el núcleo, lo que obliga a los protones y neutrones a unirse. Cuando se acercan, la fuerza fuerte entra en juego y se unen, liberando energía en el proceso y transformando el hidrógeno en helio. Los científicos llaman a esto una reacción de fusión y produce 10 millones de veces más energía que las reacciones químicas como la quema de carbón o gasolina.
Estrellas de neutrones
Una estrella de neutrones es el remanente de una explosión que ocurre al final de la vida de la estrella. Es un objeto ultradenso, que consiste en la masa de una estrella comprimida en un área del tamaño de Manhattan. En la estrella de neutrones, la fuerza fuerte domina porque la explosión ha unido a todos los protones y neutrones. La estrella no tiene átomos; se ha convertido en una gran bola de partículas. Debido a que los átomos son en su mayoría espacios vacíos y la estrella de neutrones tiene todo el espacio exprimido, su densidad es enorme. Una cucharadita de materia de estrella de neutrones pesaría 10 millones de toneladas. Debido a que la Tierra está hecha de átomos, si la fuerza fuerte de alguna manera actuara repentinamente a largas distancias, todos los protones y los neutrones se agruparían, dando como resultado una esfera de un par de cientos de metros de diámetro y con todos los masa original.