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Parmi les quatre forces fondamentales – forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle – la force nucléaire forte est la plus puissante et est responsable de la cohésion du noyau atomique. Son influence, cependant, est confinée à une portée extrêmement courte, à peu près du diamètre d'un noyau typique.
Chaque atome est constitué d'un noyau entouré d'électrons. À l’intérieur du noyau, les protons et les neutrons sont liés entre eux par une force puissante. Alors que les protons portent une charge positive, les neutrons sont électriquement neutres. La force forte attire les deux particules, les maintenant ensemble, mais elle se désintègre rapidement à l'extérieur du noyau, de sorte que les atomes voisins ne ressentent pas son attraction.
Les protons se repoussent grâce à la force électromagnétique qui agit sur de longues distances. Sans une autre interaction pour contrecarrer cette répulsion, les protons seraient séparés. Les neutrons, dépourvus de charge, ne subissent pas cette répulsion. Lorsqu'un proton et un neutron se rapprochent d'environ un billionième de millimètre (≈10⁻¹⁵m), la force forte domine et les particules se lient.
La compréhension moderne des forces fondamentales est qu’elles résultent de l’échange de particules porteuses de force. Les photons sans masse assurent la médiation de la force électromagnétique, lui permettant d'agir sur des distances infinies. En revanche, la force forte est portée par des pions massifs, dont la courte longueur d'onde Compton limite la portée de l'interaction à l'échelle femtométrique.
Dans les noyaux stellaires, la gravité comprime l’hydrogène et l’hélium, générant des pressions qui rapprochent les protons et les neutrons. Lorsqu’ils le font, la force puissante les fusionne en noyaux plus lourds, libérant ainsi de l’énergie. La fusion nucléaire produit environ dix millions de fois plus d'énergie par unité de masse que les réactions chimiques telles que la combustion du charbon ou de l'essence.
Une étoile à neutrons est le reste dense qui reste après l’explosion d’une étoile massive en supernova. Sa masse entière est comprimée dans un volume de seulement quelques kilomètres de diamètre, créant un objet dont la densité rivalise avec celle d'un noyau atomique. Une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pèserait environ dix millions de tonnes. Parce que la force forte domine dans cet environnement, tous les protons et neutrons sont forcés ensemble, ne laissant aucun atome au sens traditionnel du terme.
Si la force puissante devait agir sur des distances macroscopiques, la matière sur Terre s'effondrerait en une sphère compacte, d'environ quelques centaines de mètres de diamètre, avec une masse équivalente à celle de la planète.