Pourquoi la force nucléaire forte n'est-elle que sur de courtes distances ?

Des quatre forces naturelles, connues sous le nom de forces fortes, faibles, gravitationnelles et électromagnétiques, la nommée force forte domine les trois autres et a pour tâche de maintenir le noyau atomique ensemble. Sa portée est cependant très petite - environ le diamètre d'un noyau de taille moyenne. Étonnamment, si la force puissante travaillait sur de longues distances, tout dans le monde familier - les lacs, les montagnes et les êtres vivants - serait écrasé en un bloc de la taille d'un seul grand bâtiment.

Chaque atome de l'univers est constitué d'un noyau entouré d'un nuage d'un ou plusieurs électrons. Le noyau contient à son tour un ou plusieurs protons; tous les atomes, à l'exception de l'hydrogène, ont également des neutrons. La force forte amène les protons et les neutrons à s'attirer les uns les autres afin qu'ils restent ensemble dans le noyau; cependant, ils n'attirent pas les protons et les neutrons des atomes voisins car la force forte a peu d'effet en dehors du noyau.

Les protons sont des particules ayant une charge électrique positive. Parce que comme les charges se repoussent, les protons subissent une force de répulsion lorsqu'ils se rapprochent, et la force augmente rapidement à mesure qu'ils se rapprochent. La force électromagnétique qui produit la répulsion agit sur de grandes distances, donc à moins qu'une autre force n'agisse sur les protons, ils ne se touchent pas. Les neutrons, en revanche, n'ont pas de charge; les neutrons libres se déplacent sans entrave. Cependant, lorsque les protons et les neutrons s'approchent d'environ un billionième de millimètre, la force puissante prend le dessus et les particules se collent les unes aux autres.

La théorie moderne régissant les quatre forces fondamentales propose qu'elles soient le produit d'échanges de va-et-vient de minuscules particules, un peu comme dans un jeu de ping-pong. Dans ce jeu, le principe d'incertitude de Heisenberg définit les règles: les particules lourdes peuvent se déplacer sur de courtes distances, tandis que les particules légères atteignent de longues distances. Dans le cas de l'électromagnétisme, les particules sont des photons, qui n'ont pas de masse; la force électromagnétique s'étend à une distance infinie. Cependant, des particules très lourdes appelées pions médient la force forte, de sorte que sa portée est extrêmement courte.

La gravité maintient ensemble le soleil et les autres étoiles; l'énorme masse d'hydrogène et d'hélium gazeux produit des pressions gigantesques dans le noyau, forçant les protons et les neutrons ensemble. Lorsqu'ils se rapprochent, la force puissante entre en jeu et ils se collent, libérant de l'énergie dans le processus et transformant l'hydrogène en hélium. Les scientifiques appellent cela une réaction de fusion, et elle produit 10 millions de fois plus d'énergie que des réactions chimiques telles que la combustion de charbon ou d'essence.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une explosion qui se produit à la fin de la vie de l'étoile. C'est un objet ultra-dense, constitué de la masse d'une étoile comprimée dans une zone de la taille de Manhattan. Dans l'étoile à neutrons, la force forte domine car l'explosion a forcé tous les protons et neutrons ensemble. L'étoile n'a pas d'atomes; c'est devenu une grosse boule de particules. Parce que les atomes sont pour la plupart de l'espace vide et que l'étoile à neutrons a tout l'espace pressé, sa densité est énorme. Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait 10 millions de tonnes. Parce que la Terre est faite d'atomes, si la force puissante agissait soudainement à longue distance, tous les protons et les neutrons s'agglutineraient, créant une sphère de quelques centaines de mètres de diamètre et possédant tous les masse d'origine.