מדוע כוח גרעיני חזק הוא רק במרחקים קצרים?

מבין ארבעת הכוחות הטבעיים, המכונים הכוחות החזקים, החלשים, הכבידיים והאלקטרומגנטיים, באופן הולם כוח חזק בשם מכריע שולט על שלושת האחרים ותפקידו להחזיק את גרעין האטום יַחַד. אולם הטווח שלו קטן מאוד - בערך בקוטר של גרעין בינוני. באופן מדהים, אם הכוח החזק עבד למרחקים ארוכים, כל מה שבעולם המוכר - אגמים, הרים ויצורים חיים - היה נמעך לגוש בגודל של בניין גדול יחיד.

כל אטום ביקום מורכב מגרעין המוקף בענן של אלקטרונים אחד או יותר. הגרעין בתורו מכיל פרוטון אחד או יותר; לכל האטומים חסכון במימן יש גם נויטרונים. הכוח החזק גורם לפרוטונים ונויטרונים למשוך זה את זה ולכן הם נשארים יחד בגרעין; עם זאת, הם אינם מושכים את הפרוטונים והניטרונים של אטומים שכנים מכיוון שלכוח החזק אין השפעה מועטה מחוץ לגרעין.

פרוטונים הם חלקיקים עם מטען חשמלי חיובי. מכיוון שכמו מטענים דוחים, פרוטונים חווים כוח דוחה כשהם מתקרבים זה לזה, והכוח גדל במהירות ככל שהם מתקרבים. הכוח האלקטרומגנטי המייצר את הדחייה פועל למרחקים גדולים, כך שאם כוח אחר פועל על הפרוטונים, הם אינם נוגעים זה בזה. לעומת זאת, לנויטרונים אין חיוב; נויטרונים חופשיים מסתובבים באין מפריע. אולם כאשר פרוטונים ונייטרונים מגיעים לטריליון מילימטר אחד, הכוח החזק משתלט והחלקיקים נדבקים זה לזה.

התיאוריה המודרנית השולטת בארבעת הכוחות הבסיסיים מציעה שהם תוצר של חילופי קדימה ואחורה של חלקיקים זעירים, ממש כמו במשחק של פינג-פונג. במשחק זה, עקרון אי-הוודאות של הייזנברג קובע את הכללים - חלקיקים כבדים יכולים לנוע בין מרחקים קצרים, ואילו חלקיקי אור מגיעים למרחקים ארוכים. במקרה של אלקטרומגנטיות, החלקיקים הם פוטונים, שאין להם מסה; הכוח האלקטרומגנטי משתרע למרחק אינסופי. חלקיקים כבדים מאוד הנקראים יונים מתווכים את הכוח החזק, עם זאת, ולכן הטווח שלו קצר ביותר.

כוח המשיכה מחזיק את השמש וכוכבים אחרים יחד; המסה העצומה של מימן וגז הליום מייצרת לחצים ענקיים בליבה, מכריחה יחד פרוטונים ונייטרונים. כאשר הם מתקרבים, הכוח החזק נכנס לפעולה והם נדבקים זה לזה, משחררים אנרגיה בתהליך והופכים מימן להליום. מדענים מכנים זאת תגובת היתוך, והיא מייצרת פי 10 מיליון אנרגיה מתגובות כימיות כמו שריפת פחם או בנזין.

כוכב נויטרונים הוא שריד להתפוצצות המתרחשת בסוף חייו של הכוכב. זהו אובייקט צפוף במיוחד, המורכב ממסת כוכב דחוסה לאזור בגודל של מנהטן. בכוכב הנויטרונים הכוח החזק שולט מכיוון שהפיצוץ אילץ את כל הפרוטונים והנייטרונים יחד. לכוכב אין אטומים; זה הפך לכדור גדול של חלקיקים. מכיוון שהאטומים הם בעיקר שטח ריק, וכוכב הנויטרונים סוחט את כל החלל, צפיפותו עצומה. כפית מלאת חומר כוכב נויטרונים תשקל 10 מיליון טון. מכיוון שכדור הארץ עשוי מאטומים, אם הכוח החזק איכשהו פעל פתאום למרחקים ארוכים, כל הפרוטונים ו נויטרונים יתגודדו, וכתוצאה מכך כדור שקוטרו כמה מאות מטרים ובעל כל כדור הארץ מסה מקורית.