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De las cuatro fuerzas fundamentales (fuerte, débil, electromagnética y de gravedad), la fuerza nuclear fuerte es la más poderosa y es responsable de mantener unido el núcleo atómico. Su influencia, sin embargo, se limita a un rango extremadamente corto, aproximadamente el diámetro de un núcleo típico.
Cada átomo consta de un núcleo rodeado de electrones. Dentro del núcleo, los protones y neutrones están unidos por la fuerza fuerte. Mientras que los protones tienen carga positiva, los neutrones son eléctricamente neutros. La fuerza fuerte atrae ambas partículas, manteniéndolas unidas, pero se desintegra rápidamente fuera del núcleo, por lo que los átomos vecinos no sienten su atracción.
Los protones se repelen entre sí mediante la fuerza electromagnética, que actúa a largas distancias. Sin otra interacción para contrarrestar esta repulsión, los protones se separarían. Los neutrones, al carecer de carga, no experimentan esta repulsión. Cuando un protón y un neutrón se acercan aproximadamente a una billonésima de milímetro (≈10⁻¹⁵m), la fuerza fuerte domina y las partículas se unen.
La comprensión moderna de las fuerzas fundamentales es que surgen del intercambio de partículas portadoras de fuerzas. Los fotones sin masa median la fuerza electromagnética, permitiéndole actuar en distancias infinitas. Por el contrario, la fuerza fuerte es transportada por piones masivos, cuya corta longitud de onda Compton limita el rango de interacción a la escala femtométrica.
En los núcleos estelares, la gravedad comprime el hidrógeno y el helio, generando presiones que acercan a los protones y neutrones. Cuando lo hacen, la fuerza fuerte los fusiona en núcleos más pesados, liberando energía. La fusión nuclear produce alrededor de diez millones de veces más energía por unidad de masa que reacciones químicas como la quema de carbón o gasolina.
Una estrella de neutrones es el remanente denso que queda después de que una estrella masiva explota como supernova. Toda su masa se comprime en un volumen de sólo unos pocos kilómetros de diámetro, creando un objeto cuya densidad rivaliza con la de un núcleo atómico. Una cucharadita de materia de estrella de neutrones pesaría aproximadamente diez millones de toneladas. Debido a que la fuerza fuerte domina en este entorno, todos los protones y neutrones se juntan, sin dejar átomos en el sentido tradicional.
Si la fuerza fuerte actuara a distancias macroscópicas, el material de la Tierra colapsaría en una esfera compacta, de aproximadamente unos cientos de metros de diámetro, con una masa equivalente a la del planeta.
