Zakaj je močna jedrska sila le na kratki razdalji?

Od štirih naravnih sil, znanih kot močne, šibke, gravitacijske in elektromagnetne sile, je to primerno imenovana močna sila prevladuje nad drugimi tremi in ima nalogo zadrževanja atomskega jedra skupaj. Njegov obseg pa je zelo majhen - približno premer srednje velikega jedra. Neverjetno, če bi močna sila delovala na velike razdalje, bi bilo vse v znanem svetu - jezera, gore in živa bitja - zdrobljeno v kepo velikosti ene same velike zgradbe.

Vsak atom v vesolju je sestavljen iz jedra, obkroženega z oblakom enega ali več elektronov. Jedro pa vsebuje enega ali več protonov; vsi atomi, razen vodika, imajo tudi nevtrone. Močna sila povzroči, da se protoni in nevtroni medsebojno privlačijo, tako da ostanejo skupaj v jedru; vendar ne privlačijo protonov in nevtronov sosednjih atomov, ker močna sila nima velikega učinka zunaj jedra.

Protoni so delci s pozitivnim električnim nabojem. Ker se tako kot naboji odbijajo, tudi protoni doživljajo odbojno silo, ko se približujejo drug drugemu, in sila se hitro povečuje, ko se približata. Elektromagnetna sila, ki povzroča odbijanje, deluje na velike razdalje, zato se, če na protone ne deluje druga sila, ne dotikajo drug drugega. Po drugi strani nevtroni nimajo nobenega naboja; prosti nevtroni se neovirano gibljejo. Ko pridejo protoni in nevtroni v približno eno bilijonto milimetra, prevzame močna sila in delci se držijo skupaj.

Sodobna teorija, ki ureja štiri temeljne sile, trdi, da so plod izmenjave drobnih delcev naprej in nazaj, podobno kot v igri s ping-pongom. V tej igri Heisenbergovo načelo negotovosti določa pravila - težki delci se lahko premikajo med kratkimi razdaljami, medtem ko lahki delci dosežejo velike razdalje. V primeru elektromagnetizma so delci fotoni, ki nimajo mase; elektromagnetna sila se razteza na neskončno razdaljo. Zelo težki delci, imenovani pioni, pa posredujejo močno silo, zato je njihov domet izredno kratek.

Gravitacija drži sonce in druge zvezde skupaj; ogromna masa vodikovega in helijevega plina povzroča velikanske pritiske v jedru, ki sili protone in nevtrone skupaj. Ko se približajo, nastopi močna sila, ki se drži skupaj, pri tem pa sprošča energijo in vodik pretvori v helij. Znanstveniki temu pravijo fuzijska reakcija, ki proizvede 10 milijonov krat več energije kot kemične reakcije, kot sta kurjenje premoga ali bencina.

Nevtronska zvezda je ostanek eksplozije, ki se zgodi na koncu zvezdinega življenja. Je izredno gost predmet, sestavljen iz zvezdne mase, stisnjene v območje velikosti Manhattna. V nevtronski zvezdi prevladuje močna sila, ker je eksplozija prisilila vse protone in nevtrone skupaj. Zvezda nima atomov; postala je velika krogla delcev. Ker so atomi večinoma prazen prostor, nevtronska zvezda pa ima ves iztisnjen prostor, je njena gostota ogromna. Čajna žlička snovi nevtronskih zvezd bi tehtala 10 milijonov ton. Ker je Zemlja narejena iz atomov, če je močna sila nekako nenadoma delovala na velike razdalje, vsi protoni in nevtroni bi se strnili skupaj, kar bi povzročilo kroglo s premerom nekaj sto metrov, ki bi imela vse Zemljine prvotna masa.