Из четырех естественных сил, известных как сильная, слабая, гравитационная и электромагнитная, наиболее удачно названная сильная сила доминирует над остальными тремя и удерживает атомное ядро все вместе. Однако его диапазон очень мал - около диаметра ядра среднего размера. Удивительно, но если бы эта мощная сила действовала на больших расстояниях, все в привычном мире - озера, горы и живые существа - было бы раздавлено в глыбу размером с одно большое здание.
Атомное ядро и сильная сила
Каждый атом во Вселенной состоит из ядра, окруженного облаком из одного или нескольких электронов. Ядро, в свою очередь, содержит один или несколько протонов; все атомы, кроме водорода, также имеют нейтроны. Сильное взаимодействие заставляет протоны и нейтроны притягиваться друг к другу, поэтому они остаются вместе в ядре; однако они не притягивают протоны и нейтроны соседних атомов, потому что сильное взаимодействие мало влияет вне ядра.
Сильные и электромагнитные силы
Протоны - это частицы с положительным электрическим зарядом. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, протоны испытывают силу отталкивания, когда они приближаются друг к другу, и сила быстро увеличивается, когда они приближаются. Электромагнитная сила, вызывающая отталкивание, действует на больших расстояниях, поэтому, если на протоны не действует какая-либо другая сила, они не соприкасаются друг с другом. С другой стороны, нейтроны не имеют заряда; свободные нейтроны беспрепятственно перемещаются. Однако, когда протоны и нейтроны приближаются к одной триллионной миллиметра, сила вступает во владение, и частицы слипаются.
Пинг-понг с частицами
Современная теория четырех фундаментальных сил предполагает, что они являются продуктом двустороннего обмена крошечными частицами, как в игре в пинг-понг. В этой игре принцип неопределенности Гейзенберга устанавливает правила - тяжелые частицы могут перемещаться между небольшими расстояниями, тогда как легкие частицы могут достигать больших расстояний. В случае электромагнетизма частицы - это фотоны, не имеющие массы; электромагнитная сила распространяется на бесконечное расстояние. Однако очень тяжелые частицы, называемые пионами, передают сильную силу, поэтому ее радиус действия чрезвычайно мал.
Термоядерная реакция
Гравитация удерживает вместе солнце и другие звезды; огромная масса водорода и газообразного гелия создает гигантское давление в активной зоне, заставляя протоны и нейтроны вместе. Когда они подходят близко, в игру вступает сильная сила, и они слипаются, высвобождая при этом энергию и превращая водород в гелий. Ученые называют это реакцией синтеза, и она производит в 10 миллионов раз больше энергии, чем химические реакции, такие как сжигание угля или бензина.
Нейтронные звезды
Нейтронная звезда - это остаток взрыва, произошедшего в конце жизни звезды. Это сверхплотный объект, состоящий из звездной массы, сжатой до площади размером с Манхэттен. В нейтронной звезде сильное взаимодействие доминирует, потому что взрыв объединил все протоны и нейтроны. У звезды нет атомов; он превратился в большой шар частиц. Поскольку атомы в основном представляют собой пустое пространство, а у нейтронной звезды все пространство вытеснено, ее плотность огромна. Чайная ложка вещества нейтронной звезды будет весить 10 миллионов тонн. Поскольку Земля состоит из атомов, если бы сильная сила каким-то образом внезапно действовала на больших расстояниях, все протоны и нейтроны сгруппировались бы вместе, в результате получилась бы сфера диаметром пару сотен метров, в которой были бы все исходная масса.