З чотирьох природних сил, відомих як сильні, слабкі, сили тяжіння та електромагнітні, влучно названа сильна сила домінує над іншими трьома і виконує завдання утримувати атомне ядро разом. Діапазон його дії дуже малий, однак - приблизно в діаметрі ядра середнього розміру. Вражаюче, якщо б сильна сила працювала на великі відстані, все у звичному світі - озера, гори та живі істоти - було б розтрощене у грудку розміром з одну велику будівлю.
Атомне ядро і сильна сила
Кожен атом у Всесвіті складається з ядра, оточеного хмарою з одного або декількох електронів. Ядро в свою чергу містить один або кілька протонів; всі атоми, що зберігають водень, мають і нейтрони. Сильна сила змушує протони та нейтрони притягувати один одного, тому вони залишаються разом в ядрі; однак вони не притягують протони та нейтрони сусідніх атомів, оскільки сильна сила має незначний ефект поза ядром.
Сильні та електромагнітні сили
Протони - це частинки з позитивним електричним зарядом. Оскільки подібно до зарядів відштовхуються, протони відчувають відштовхувальну силу, наближаючись один до одного, і сила швидко зростає, коли вони наближаються. Електромагнітна сила, що виробляє відштовхування, діє на великі відстані, тому, якщо якась інша сила не діє на протони, вони не торкаються один одного. З іншого боку, нейтрони не мають заряду; вільні нейтрони безперешкодно рухаються. Коли протони та нейтрони потрапляють приблизно на одну трильйонну частину міліметра, однак сильна сила бере на себе сили і частинки злипаються.
Пінг-понг для частинок
Сучасна теорія, що регулює чотири основні сили, передбачає, що вони є продуктом взаємного обміну крихітними частинками, як у грі в пінг-понг. У цій грі Принцип невизначеності Гейзенберга встановлює правила - важкі частинки можуть рухатися між собою на невеликі відстані, тоді як легкі частинки досягають великих відстаней. У випадку електромагнетизму частинками є фотони, які не мають маси; електромагнітна сила поширюється на нескінченну відстань. Дуже важкі частинки, звані піонами, опосередковують сильну силу, однак, їх діапазон надзвичайно короткий.
Ядерний синтез
Гравітація утримує сонце та інші зірки разом; величезна маса водню і гелію створює гігантський тиск в ядрі, змушуючи протони та нейтрони разом. Коли вони наближаються, сильна сила вступає в дію, і вони злипаються, виділяючи енергію в процесі і перетворюючи водень в гелій. Вчені називають це реакцією синтезу, і вона виробляє в 10 мільйонів разів більше енергії, ніж хімічні реакції, такі як спалення вугілля або бензину.
Нейтронні зірки
Нейтронна зірка - це залишок вибуху, який відбувається в кінці життя зірки. Це надщільний об’єкт, що складається з маси зірки, стиснутої в область розміром з Манхеттен. У нейтронній зірці домінує сильна сила, оскільки вибух змусив усі протони та нейтрони разом. У зірки немає атомів; це стало великою кулькою частинок. Оскільки атоми - це в основному порожній простір, а нейтронна зірка витискає весь простір, її щільність величезна. Чайна ложка речовини нейтронних зірок важила б 10 мільйонів тонн. Оскільки Земля складається з атомів, якщо сильна сила якось раптово діяла на великі відстані, то всі протони і нейтрони злипаються, в результаті чого утворюється куля в пару сотень метрів у діаметрі і має всю земну оригінальна маса.