Waarom is sterke kernkracht alleen op korte afstanden?

Van de vier natuurkrachten, bekend als de sterke, zwakke, zwaartekracht en elektromagnetische krachten, is de toepasselijke genaamd sterke kracht domineert over de andere drie en heeft de taak om de atoomkern vast te houden samen. Het bereik is echter erg klein - ongeveer de diameter van een middelgrote kern. Verbazingwekkend genoeg, als de sterke kracht over lange afstanden zou werken, zou alles in de bekende wereld - meren, bergen en levende wezens - worden verpletterd tot een brok ter grootte van een enkel groot gebouw.

Elk atoom in het heelal bestaat uit een kern met daaromheen een wolk van een of meer elektronen. De kern bevat op zijn beurt een of meer protonen; alle atomen behalve waterstof hebben ook neutronen. De sterke kracht zorgt ervoor dat protonen en neutronen elkaar aantrekken, zodat ze samen in de kern blijven; ze trekken echter niet de protonen en neutronen van naburige atomen aan omdat de sterke kracht weinig effect heeft buiten de kern.

Protonen zijn deeltjes met een positieve elektrische lading. Omdat gelijke ladingen afstoten, ervaren protonen een afstotende kracht als ze elkaar naderen, en de kracht neemt snel toe naarmate ze dichterbij komen. De elektromagnetische kracht die de afstoting produceert, werkt over grote afstanden, dus tenzij een andere kracht op de protonen inwerkt, raken ze elkaar niet. Neutronen daarentegen hebben geen lading; vrije neutronen bewegen ongehinderd. Wanneer protonen en neutronen echter binnen ongeveer een biljoenste van een millimeter komen, neemt de sterke kracht het over en plakken de deeltjes aan elkaar.

De moderne theorie die de vier fundamentele krachten beheerst, stelt voor dat ze het product zijn van heen-en-weer uitwisselingen van kleine deeltjes, net als in een spelletje pingpong. In dit spel bepaalt het onzekerheidsprincipe van Heisenberg de regels: zware deeltjes kunnen over korte afstanden bewegen, terwijl lichte deeltjes grote afstanden bereiken. In het geval van elektromagnetisme zijn de deeltjes fotonen, die geen massa hebben; de elektromagnetische kracht strekt zich uit tot een oneindige afstand. Zeer zware deeltjes, pionen genaamd, bemiddelen echter de sterke kracht, dus het bereik is extreem kort.

Zwaartekracht houdt de zon en andere sterren bij elkaar; de enorme massa waterstof en heliumgas veroorzaakt gigantische drukken in de kern, waardoor protonen en neutronen samen worden gedwongen. Wanneer ze dichtbij komen, komt de sterke kracht in het spel en ze plakken aan elkaar, waarbij energie vrijkomt in het proces en waterstof in helium wordt omgezet. Wetenschappers noemen dit een fusiereactie en het produceert 10 miljoen keer zoveel energie als chemische reacties zoals het verbranden van kolen of benzine.

Een neutronenster is het overblijfsel van een explosie die plaatsvindt aan het einde van het leven van de ster. Het is een ultradicht object, bestaande uit de massa van een ster die is samengeperst tot een gebied ter grootte van Manhattan. In de neutronenster overheerst de sterke kracht omdat de explosie alle protonen en neutronen samen heeft gedwongen. De ster heeft geen atomen; het is een grote bal van deeltjes geworden. Omdat atomen voor het grootste deel uit lege ruimte bestaan ​​en de neutronenster alle ruimte eruit heeft geperst, is de dichtheid enorm. Een theelepel neutronenstermaterie zou 10 miljoen ton wegen. Omdat de aarde uit atomen bestaat, als de sterke kracht op de een of andere manier plotseling op grote afstand inwerkt, zullen alle protonen en neutronen zouden samenklonteren, resulterend in een bol met een diameter van een paar honderd meter en met al het aardse oorspronkelijke massa.