Budowanie fundamentów życia: silne oddziaływanie jądroweCzas czytania: 8 min

W poprzednim artykule pisałem o roli, jaką odgrywa grawitacja dla kształtowania wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz o łączeniu się – dzięki sile grawitacji – materii w niezbędne dla życia gwiazdy i planety¹. Teraz przyjrzymy się innej z czterech podstawowych sił przyrody – sile jądrowej, a szczególnie: oddziaływaniu silnemu. Wkład tej siły w tworzenie najważniejszych składników Wszechświata, a tym samym czynienie naszego życia możliwym, da się dostrzec w sposobie, w jaki spaja ona jądra atomowe². Gdyby nie było oddziaływania silnego w jądrze (między protonami i neutronami), układ okresowy pierwiastków sprowadzałby się do jednej tylko pozycji – wodoru. Nie trzeba chyba dodawać, że wodorowy wszechświat pozbawiony byłby jakiegokolwiek życia.

Wodór – a dokładniej jego atom – składa się tylko z jednego protonu w jądrze oraz z jednego elektronu znajdującego się na jego orbicie i utrzymywanego tam przez siłę elektryczną (na której skupimy się w kolejnym artykule). Ten aspekt siły elektrycznej, który sprawia, że cząstki o tym samym ładunku, takie jak protony, odpychają się coraz silniej wraz ze zmniejszaniem się odległości między nimi, wymaga dodatkowego oddziaływania, zdolnego spajać jądra atomowe pierwiastków zawierające więcej niż jeden proton.   

Wyjątkowo małe odległości

Silne oddziaływanie musi więc przezwyciężać odpychającą siłę elektryczną między protonami na odległościach charakterystycznych dla jądra atomowego, czyli rzędu 10⁻¹⁵ m. Na tych niezwykle małych dystansach (około stu tysięcy razy mniejszych niż całkowity rozmiar atomu) elektryczna siła odpychająca między zaledwie dwoma protonami staje się zaskakująco duża – rzędu 220 niutonów! Jasne zatem staje się, dlaczego oddziaływanie jądrowe utrzymujące protony razem nazywa się „silnym”.

Oto kolejna zdumiewająca konsekwencja niewiarygodnie potężnej natury oddziaływania silnego, wiążącego jądra atomowe: energia zmagazynowana w jądrze – niczym energia potencjalna silnie ściśniętej sprężyny – sumuje się do wartości większych, niż moglibyśmy przypuszczać. Na przykład w typowym złotym pierścionku o masie pięciu gramów łączna energia wydatkowana na utrzymywanie wszystkich jąder atomowych złota razem (pierścionek zawiera około 1,5 × 10²² atomów złota) wyniosłaby prawie 522 tys. kWh – wystarczająco dużo, by zasilać przeciętne gospodarstwo domowe przez 49 tys. lat! Innymi słowy, gdyby silne oddziaływanie nagle przestało istnieć, jądra atomowe w przedmiocie tak małym jak pierścionek eksplodowałyby z energią równą niewielkiej bombie atomowej.

Silne oddziaływanie jest około stu razy silniejsze niż elektryczna siła odpychania między znajdującymi się bardzo blisko siebie protonami, jak ma to miejsce w jądrze atomowym. Równie niezwykły jest wyjątkowo mały zasięg tego oddziaływania: aby mogło ono zachodzić, nukleony – zarówno protony, jak i neutrony, na które oddziałuje jednakowo – muszą znaleźć się niemal w bezpośrednim kontakcie, tak blisko, że prawie się dotykają. Od tak szczególnych cech oddziaływania silnego – i jego związku z innymi siłami przyrody – w ścisły sposób zależy istnienie pierwiastków wchodzących w skład materii, czyli tego, co jest warunkiem możliwości naszego życia.

Siła czysto jądrowa

Silne oddziaływanie jest siłą czysto jądrową – poza swoją kluczową rolą w tworzeniu pierwiastków materii, ze względu na swój wykładniczo malejący zasięg, nie ma ono żadnego wpływu na reakcje chemiczne. W porównaniu z rozmiarem jądra, zewnętrzne orbity jego elektronów znajdują się około stu tysięcy razy dalej (co odpowiada również przybliżonej odległości między jądrami w cząsteczce). Gdyby zasięg silnego oddziaływania zmieniał się wraz z odległością (tak jak w przypadku grawitacji czy siły elektrycznej), czyli słabł odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, wówczas przyciąganie między jądrami różnych atomów całkowicie zdominowałoby oddziaływania chemiczne, czyniąc istnienie życia niemożliwym.

Aby jeszcze bardziej docenić kluczową dla życia rolę silnego oddziaływania, przyjrzyjmy się temu, jak uczestniczy ono w wytwarzaniu energii, dzięki której gwiazdy świecą. Głęboko w jądrze gwiazdy takiej jak nasze Słońce grawitacja spręża złożony głównie z wodoru gaz do postaci niezwykle gęstego i gorącego płynu, około czternastu razy gęstszego niż ołów. W temperaturze 15 mln stopni Celsjusza energia cieplna jąder wodoru w rdzeniu Słońca doprowadza do zderzeń, a ich bliskość pozwala silnemu oddziaływaniu pochwycić i związać je w cięższe jądra helu (dla zwięzłości pomijam tu część szczegółów).

Ciepło słońca na twojej twarzy

W trakcie tego procesu dochodzi do czegoś niezwykłego: składające się na jądro helu cztery nukleony (dwa protony i dwa neutrony) osiągają masę, która okazuje się nieco mniejsza od masy tych samych czterech nukleonów w stanie niezwiązanym. Ta utracona masa odpowiada ilości energii wiązania jądrowego wytworzonej przez oddziaływanie silne. Ostatecznym rezultatem są porcje energii powstałe w wyniku wiązania się jąder helu w procesie tej fuzji. Kiedy następnym razem poczujesz ciepło słońca na swojej twarzy, pomyśl, że jest ono przede wszystkim produktem właśnie tej przemiany materii w energię, stanowiącej jakby efekt uboczny zachodzących pod wpływem silnego oddziaływania jądrowego procesów fuzji wodoru w hel w jądrze Słońca.

Aby dostrzec jeszcze jeden z wyjątkowych fenomenów związanych z oddziaływaniem silnym, przyjrzyjmy się najmłodszym członkom astronomicznej rodziny, odkrytym jedynie sześćdziesiąt lat temu – gwiazdom neutronowym. Są to pozostałości masywnych gwiazd powstałe w wyniku wybuchów supernowych z zapadaniem się jądra. Pod koniec cyklu życia dużej gwiazdy fuzja jądrowa dochodzi do poziomu, gdzie w jej wyniku powstawać zaczynają jądra żelaza – pierwiastka o energii wiązania na nukleon najwyższej spośród wszystkich pierwiastków. Można powiedzieć, że żelazo jest tu ostatnie w kolejce – to znaczy, że gwiazda nie może już wytwarzać energii poprzez przyłączanie kolejnych nukleonów i tym samym kończy się jej paliwo.

Zapadanie grawitacyjne jest procesem naznaczonym dużym dramatyzmem, w którym jądro zostaje ściśnięte tak potężnie, że protony i elektrony łączą się w neutrony, a te, jako cząstki elektrycznie obojętne, dają się kompresować w niewielką, niezwykle gęstą kulę neutronów. Pozostałości dawnej dużej gwiazdy zostają wyrzucone w przestrzeń kosmiczną podczas eksplozji supernowej, a jej rdzeń przyjmuje formę gorącej, ultragęstej kuli neutronów.

Promień takich gwiazd neutronowych nie przekracza zazwyczaj 10 km, ale ich masa okazuje się większa od masy naszego Słońca (którego promień wynosi 700 tys. km). Gęstość gwiazdy neutronowej jest tak ogromna, że jej bryłka o rozmiarze kostki cukru miałaby masę rzędu miliarda ton! Jako że składa się ona z samych neutronów, można myśleć o niej jak o gigantycznym jądrze atomowym dryfującym w przestrzeni kosmicznej – ale z jednym ważnym zastrzeżeniem: o ile tym, co „skleja” jądra atomowe, jest właśnie oddziaływanie silne, w przypadku gwiazd neutronowych rolę tę odgrywa grawitacja.

Inteligentnie zaprojektowane dla życia

Także w gwiazdach neutronowych silnemu oddziaływaniu przypada istotna, choć nieoczekiwana rola – w tych ekstremalnych warunkach okazuje się ono odpowiadać już nie za spajającą, ale odpychającą siłę, powstrzymując gwiazdy przed zapadnięciem się w czarną dziurę wskutek działania grawitacji. Przyciągająca natura oddziaływania silnego między dowolnymi dwoma nukleonami dąży do ustalenia ich równowagowej odległości rzędu około 0,7 × 10-15 m (0,7 femtometra) – kiedy jednak ścisnąć nukleony jeszcze bardziej, do odległości około 0,5 fm, ta sama siła zamienia się w siłę odpychającą. Ta osobliwa cecha silnego oddziaływania ustala pewne minimum rozmiaru, poniżej którego nie może zmniejszyć się jądro atomowe, i pozwala zapobiec całkowitemu zapadaniu grawitacyjnemu gwiazd neutronowych.

Siła „odpychającego rdzenia” silnego oddziaływania ma jednak swoje granice i jeśli grawitacja wzrośnie na tyle, aby je przekroczyć, wtedy gwiazda neutronowa istotnie zapadnie się w czarną dziurę. Astrofizyka teoretyczna przewiduje, że limit ten występuje dla gwiazd neutronowych o masie większej niż około dwukrotność masy Słońca – a masę taką, jak się szacuje, osiągnęły niemal wszystkie z odkrytych dotąd gwiazd neutronowych. Zmiana siły oddziaływania silnego w ramach odpychającego rdzenia miałaby więc bezpośrednie przełożenie na liczbę czarnych dziur o masach gwiazdowych w naszej galaktyce. To, jak i inne konsekwencje wynikające z własności gwiazd neutronowych może sugerować, że nawet najsłabiej rozjaśnione zawiłości silnego oddziaływania zostały inteligentnie zaprojektowane z myślą o życiu.

Eric Hedin

Oryginał: Building the Foundations: The Strong Nuclear Force, „Science & Culture Today” 2025, November 10 [dostęp: 11 II 2026].

Przekład z języka angielskiego: Krystian Brzeski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 11.2.2026

Literatura: