Prečo sú silné jadrové sily len na krátke vzdialenosti?

Zo štyroch prírodných síl, známych ako silné, slabé, gravitačné a elektromagnetické sily, výstižne pomenovaná silná sila dominuje nad ostatnými tromi a má úlohu držať atómové jadro spolu. Jeho rozsah je však veľmi malý - približne o priemere stredne veľkého jadra. Úžasné je, že keby silná sila pôsobila na veľké vzdialenosti, všetko v známom svete - jazerá, hory a živé bytosti - by sa rozdrvilo na kus veľkosti jednej veľkej budovy.

Každý atóm vo vesmíre pozostáva z jadra obklopeného oblakom jedného alebo viacerých elektrónov. Jadro zase obsahuje jeden alebo viac protónov; všetky atómy okrem vodíka majú tiež neutróny. Silná sila spôsobuje, že sa protóny a neutróny navzájom priťahujú, takže zostávajú pohromade v jadre; avšak nepriťahujú protóny a neutróny susedných atómov, pretože silná sila má malý vplyv mimo jadro.

Protóny sú častice s kladným elektrickým nábojom. Pretože ako odpudzujúce náboje, aj protóny zažívajú odpudivú silu, keď sa blížia k sebe, a sila sa rýchlo zvyšuje, keď sa približuje. Elektromagnetická sila, ktorá produkuje odpor, pôsobí na veľké vzdialenosti, takže pokiaľ na protóny nepôsobí nejaká iná sila, navzájom sa nedotýkajú. Neutróny naopak nemajú žiadny náboj; voľné neutróny sa pohybujú bez prekážok. Keď sa protóny a neutróny dostanú do vzdialenosti zhruba jednej bilióntiny milimetra, prevládne silná sila a častice sa zlepia.

Moderná teória, ktorá riadi štyri základné sily, navrhuje, aby boli produktom výmeny tam a späť drobných častíc, podobne ako v hre ping-pong. V tejto hre určuje pravidlá Heisenbergov princíp neistoty - ťažké častice sa môžu pohybovať medzi krátkymi vzdialenosťami, zatiaľ čo ľahké častice dosahujú veľké vzdialenosti. V prípade elektromagnetizmu sú častice fotóny, ktoré nemajú hmotnosť; elektromagnetická sila siaha do nekonečnej vzdialenosti. Silné sily sprostredkovávajú veľmi ťažké častice nazývané piony, takže ich dosah je extrémne krátky.

Gravitácia drží slnko a ďalšie hviezdy pohromade; obrovská hmotnosť vodíka a plynného hélia vytvára v jadre gigantické tlaky, ktoré nútia protóny a neutróny k sebe. Keď sa priblížia, vstúpi do hry silná sila, ktorá sa zlepí, uvoľní pri tom energiu a premení vodík na hélium. Vedci to nazývajú fúzna reakcia a produkuje 10 miliónovkrát viac energie ako chemické reakcie ako spaľovanie uhlia alebo benzínu.

Neutrónová hviezda je pozostatok výbuchu, ku ktorému dôjde na konci života hviezdy. Je to ultrahustý objekt, ktorý sa skladá z hmoty hviezdy stlačenej do oblasti veľkej ako Manhattan. V neutrónovej hviezde dominuje silná sila, pretože výbuch prinútil všetky protóny a neutróny pohromade. Hviezda nemá žiadne atómy; stala sa z nej veľká guľa častíc. Pretože atómy sú väčšinou prázdny priestor a neutrónová hviezda má celý priestor vytlačený, je jeho hustota obrovská. Lyžička neutrónovej hviezdnej hmoty by vážila 10 miliónov ton. Pretože Zem je tvorená atómami, ak silná sila nejako náhle pôsobila na veľké vzdialenosti, všetky protóny a neutróny by sa zhlukovali, výsledkom by bola guľa s priemerom pár stoviek metrov a so všetkou zemskou pôvodná omša.