Perché la forza nucleare forte è solo a breve distanza?

Delle quattro forze naturali, note come forze forti, deboli, gravitazionali ed elettromagnetiche, la giustamente denominata forza forte domina sulle altre tre e ha il compito di trattenere il nucleo atomico insieme. La sua gamma è molto piccola, tuttavia, circa il diametro di un nucleo di medie dimensioni. Sorprendentemente, se la forza forte funzionasse su lunghe distanze, tutto nel mondo familiare - laghi, montagne e esseri viventi - verrebbe schiacciato in un pezzo delle dimensioni di un singolo grande edificio.

Ogni atomo dell'universo è costituito da un nucleo circondato da una nuvola di uno o più elettroni. Il nucleo contiene a sua volta uno o più protoni; tutti gli atomi tranne l'idrogeno hanno anche neutroni. La forza forte fa sì che protoni e neutroni si attraggano l'un l'altro in modo che rimangano insieme nel nucleo; tuttavia, non attraggono i protoni e i neutroni degli atomi vicini perché la forza forte ha scarso effetto al di fuori del nucleo.

I protoni sono particelle con carica elettrica positiva. Perché come le cariche si respingono, i protoni sperimentano una forza repulsiva mentre si avvicinano l'uno all'altro e la forza aumenta rapidamente man mano che si avvicinano. La forza elettromagnetica che produce la repulsione agisce su grandi distanze, quindi a meno che qualche altra forza non agisca sui protoni, non si toccano. I neutroni, d'altra parte, non hanno carica; i neutroni liberi si muovono senza impedimenti. Quando protoni e neutroni si avvicinano a circa un trilionesimo di millimetro, tuttavia, la forza forte prende il sopravvento e le particelle si uniscono.

La moderna teoria che governa le quattro forze fondamentali propone che siano il prodotto di scambi di particelle minuscole, proprio come in una partita a ping-pong. In questo gioco, il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce le regole: le particelle pesanti possono spostarsi tra brevi distanze, mentre le particelle leggere raggiungono lunghe distanze. Nel caso dell'elettromagnetismo, le particelle sono fotoni, che non hanno massa; la forza elettromagnetica si estende a una distanza infinita. Tuttavia, particelle molto pesanti chiamate pioni mediano la forza forte, quindi il suo raggio d'azione è estremamente breve.

La gravità tiene insieme il sole e le altre stelle; l'enorme massa di idrogeno ed elio produce pressioni gigantesche nel nucleo, costringendo protoni e neutroni insieme. Quando si avvicinano, entra in gioco la forza forte e si uniscono, rilasciando energia nel processo e trasformando l'idrogeno in elio. Gli scienziati la chiamano reazione di fusione e produce 10 milioni di volte più energia delle reazioni chimiche come la combustione di carbone o benzina.

Una stella di neutroni è il residuo di un'esplosione che si verifica alla fine della vita della stella. È un oggetto ultra-denso, costituito dalla massa di una stella compressa in un'area delle dimensioni di Manhattan. Nella stella di neutroni, la forza forte domina perché l'esplosione ha costretto insieme tutti i protoni ei neutroni. La stella non ha atomi; è diventata una grande palla di particelle. Poiché gli atomi sono per lo più spazio vuoto e la stella di neutroni ha tutto lo spazio spremuto, la sua densità è enorme. Un cucchiaino da tè di materia di stelle di neutroni peserebbe 10 milioni di tonnellate. Poiché la Terra è fatta di atomi, se la forza forte in qualche modo agisse improvvisamente a lunghe distanze, tutti i protoni e i neutroni si accalcherebbero insieme, formando una sfera di un paio di centinaia di metri di diametro e con tutta la della Terra massa originaria.