¿Por qué la fuerza nuclear es la fuerza más fuerte a pesar de su corto alcance y la fuerza gravitacional la más débil a pesar de su mayor alcance?

A2A:
Realmente, me gusta mucho la respuesta de Digvijay Singh. Solo para agregar:

La fuerza de la fuerza se refiere a la fuerza de acoplamiento de interacción. Las cuatro fuerzas tienen fortalezas relativas (robadas de Constantes [protegidas por correo electrónico] para las Fuerzas Fundamentales):


La fuerza entre dos partículas deriva en última instancia del intercambio de un bosón virtual, los llamados portadores de fuerza. Aquí hay un esquema de la interacción, de wikipedia:

En cada vértice, hay una interacción entre las partículas (líneas continuas) y el bosón virtual (línea discontinua) cuya fuerza se rige por uno de los [math] \ alpha [/ math] en la tabla anterior (dependiendo de la fuerza) . Entonces la fuerza va (al menos a ‘nivel de árbol’) como el cuadrado de la constante de acoplamiento.

¿Y qué hay del rango? Esto es un poco más confuso. La gravedad (portador de fuerza: gravitón) y la electrodinámica (portador de fuerza: fotón) tienen portadores de fuerza sin masa, mientras que la fuerza débil (portadores de fuerza: bosones W y Z) tiene portadores de fuerza masiva. Los portadores masivos, a medida que aumenta la distancia entre las partículas, tienden a decaer antes de que se pueda completar el intercambio (por lo que se mueren a intervalos más largos), mientras que las partículas sin masa, que no experimentan tiempo, no pueden decaer y, por lo tanto, no les importa cómo muy lejos están las dos partículas: se obtiene la ley del cuadrado inverso estándar mediante la aplicación del teorema de conservación del flujo de Gauss.

La fuerza fuerte es un poco extraña. El portador de fuerza (gluón) no tiene masa, por lo que, según el argumento anterior, esperaría una ley cuadrada inversa. La razón por la que no obtienes una ley del cuadrado inverso es que los quarks (las partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte) siempre ocurren en pares (que detectan el comportamiento de largo alcance de la fuerza y ​​es la misma razón por la cual la electrodinámica no es importante para cuerpos neutros): esto se conoce como confinamiento @Color. Esto es (probablemente) debido a una propiedad del grupo de gluones de simetría SU (3) (color), que los otros portadores de fuerza, que pertenecen a la simetría U (1) (carga) y SU (2) (spin) los grupos no tienen En particular, SU (3) permite que los gluones interactúen solo con ellos mismos (de @Quantum Diaries a través de la búsqueda de imágenes de Google):
En lugar de disminuir en densidad a medida que aumenta la distancia (como la Ley de Gauss nos haría esperar), la densidad virtual de gluones en realidad aumenta, ya que los gluones virtuales (léase: líneas de campo) se dividen en 2 o 3. Cuando la densidad de gluones aumenta lo suficiente como los quarks se vuelven cada vez más separados, se vuelve más energéticamente favorable instanciar un par quark-antiquark del vacío y ‘cortar la cuerda’ de la densidad de gluones cada vez mayor. Esto sucede a escalas más pequeñas que las atómicas, por lo que a escalas que podemos sondear fuera de los aceleradores de partículas, la fuerza fuerte casi no tiene consecuencias: se filtra por la producción de pares quark / antiquark, que actúan como sumideros para las líneas de campo de fuerza fuerte. La excepción es la llamada ‘fuerza nuclear’, que es el análogo de Van der Waals de la fuerza fuerte: las interacciones residuales filtradas de momentos de orden superior como dipolos de fuerza fuerte. Esta es la fuerza que mantiene unidos los protones y los neutrones en un núcleo atómico, por lo que, incluso apantallada, la fuerza fuerte es lo suficientemente fuerte como para vencer la fuerza de electroválvula.

Gracias por el A2A.

La fuerza no tiene nada que ver con el rango aquí. Su confusión probablemente se deriva de la suposición de que ambas fuerzas varían de la misma manera con la distancia, mientras que no es así. La fuerza gravitacional cae como el cuadrado inverso con la distancia, mientras que la fuerza nuclear cae como una función más compleja (donde cae mucho más rápido que el cuadrado inverso).


Para comparar, vea cómo la fuerza de repulsión de Coulomb (también el cuadrado inverso) cae tan gradualmente en comparación con la fuerza SN.