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| 强相互作用 | |
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强相互作用， 是自然界四种基本相互作用中最强的一种。最早研究的强相互作用是核子(质子或中子)之间的核力，它是使核子结合成原子核的相互作用。
自1947年发现与核子作用的π介子以后，实验中陆续发现了几百种有强相互作用的粒子，这些粒子统称为强子。
基本信息
中文名 强相互作用
外文名 strong interaction
提出者 格罗斯[2]
提出时间 1973年
应用学科 物理学
适用领域范围 量子色动力学
特点
强相互作用与其他相互作用相比有如下一些特点:①强度大。电磁相互作用的强度可用一个称为精细结构常数的量 e/4πћc≈1/137 来表示，这里e是电子的电荷，2πћ=h是普朗克常数，c是光速。
如果强相互作用也用一个与电荷e对应的量g来描述，则g/(4πћс) 约为1-10。强相互作用比电磁相互作用强10-10倍。②强相互作用不像引力和电磁作用那样是长程力而是短程力。
但力程比弱相互作用的力程长，约为10^-11米(即0.1纳米)，约等于原子核中核子间的距离。③比其他三种基本作用有更大的对称性。即在强相互作用中有更多的守恒定律(见对称性和守恒律)。
除实验中还没有发现破坏的能量、动量、角动量、电荷、重子数和轻子数守恒外，强作用还有在弱作用或电磁作用中被破坏的宇称、C宇称、同位旋、奇异数守恒及粲数和底数守恒。
此外，强作用还有一些近似的对称性，如SU(3)味对称和手征对称性。④20世纪70年代以来，在深度非弹性散射等一系列高能量实验中发现一些新现象，借助于理论分析，可解释为强作用在短距离(小于10厘米)处随距离减小而变弱。
理论诠释
对强相互作用本质的了解一直是物理学中的困难问题。曾经提出过许多处理强作用的理论和方法，但取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量，找不到可靠的近似方法。
由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出了量子色动力学，这个理论中强作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用。这个理论有在小距离处作用变弱的性质，称为渐近自由，已为实验证实，取得了成功，被认为是强作用基本理论。
解释强相互作用的规范理论是量子色动力学，由组成强作用粒子(强子)的相互作用统一地描述强子结构和强子之间作用。
按照夸克模型，与量子电动力学中传递电磁作用的光子相对应，这里有自旋为1的规范粒子(胶子)，可被夸克所吸收或发射，并传递夸克之间的色作用力。这种力把夸克束缚在强子中，是两个强子之间的通常的强作用力的来源。
研究表明，规范场的自作用能够产生相反的效果，使得在真空中的色荷吸引真空中产生的规范粒子，在其周围聚集相同的色荷，造成反屏蔽的效应。这种情况下量子色动力学有渐近自由的性质，即随着时空距离的变小相互作用变弱。按照不确定度关系，小的时空距离相应于大的能量动量。
量子色动力学中夸克的质量不大，胶子的质量为零，它们应当很容易产生，因此必须解释为什么没有在实验中观察到这些粒子。设想夸克和胶子是由于规范场相互作用的动力学原因而被禁闭在强子半径10厘米的范围内的，这个图像给出色禁闭，色禁闭在量子色动力学中是成立的。
实验新发现
1967年初，美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器建成，随着能量增大，实现了高能电子的"深度非弹性散射"，出现了新现象。由于质子的直径约为10厘米，高能电子可探测到质子内部。实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。
强相互作用理论—量子色动力学
原子核内粒子的间的强作用力是原子核内起维系作用的力，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。 1967年初，美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器建成（右图），随着能量增大，实现了高能电子的“深度非弹性散射”，出现了新现象。由于质子的直径约为(10)^(-13)厘米，高能电子正好可探测到质子内部，因此被称为电子-质子的深度非弹性散射。
实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。这一发现令科学家们大吃一惊。 1969年，美国科学家费曼（Richard Philips Feynman，1918-1988）（左图）提出了部分子模型（parton model），他认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。 部分子模型和夸克模型是从不同的角度、用不同的方法，得出了同样的结论。 部分子模型和夸克模型结合起来描述：强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的，并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；第二类称为海夸克，它们的数目和味。
是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；第三类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用。 质子内部除了uud 三个夸克（价夸克）外，在极高能量的电子打入后又被激发出了无数的正反夸克对（q`q）（海夸克），所以才看到了无数的“自由运动”的点电荷（右图）。
这样，在低能下看到的质子（由三个夸克组成）和在高能下看到的质子（内部有无数个几乎自由运动的点电荷粒子）就统一起来了。正反夸克对（q`q）的“自由运动”意味着强作用力在能量升高时“变弱”。
1973年，美国科学家格罗斯（David Jonathan Gross，1941- ）（左 图左）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）（左 图中）、威尔茨克（Frank Wilczek，1951- ）（左图右）通过一个完善的数学模型说明
：夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。
反之，夸克之间距离越大，强作用力就越强。“渐近自由”的发现导致了全新的理论——量子色动力学（QCD）的诞生。 量子色动力学解释了胶子（gluon）的存在（胶子是强子中的电中性粒子，其作用是使夸克粘合而形成强子，胶子有八种态），认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起（右图）。
凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。 实验中一直没有发现自由夸克和胶子的存在。因夸克和胶子都有“色”量子数，一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面，这种现象称为“色禁闭”（color confinement）。“色禁闭”的解释已有各种理论证据，但仍然属于研究的前沿问题。
量子力学:弱相互作用和强相互作用的区别
导读:量子力学体系下有两种力，一种是强力，一种是弱力。一起来认识一下。本文共计1800多字。需要10分钟阅读时间。
粒子尺度下的两种力。我们先来说说弱相互作用。我们现在知道了弱相互作用的理论指出，它是由W及Z玻色子的交换(即发射或吸收)所引起的，由于弱力是由玻色子的发射(或吸收)所造成的，所以它是一种非接触力。这种发射中最有名的是β衰变，它是放射性的一种表现。
重的粒子性质不稳定，由于Z及W玻色子比质子或中子重得多，所以弱相互作用的作用距离非常短。这种相互作用叫做“弱”，是因为它的一般强度，比电磁及强核力弱好几个数量级。
大部份粒子在一段时间后，都会通过弱相互作用衰变。弱相互作用有一种独一无二的特性--那就是夸克味变--其他相互作用做不到这一点。另外，它还会破坏宇称对称及CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种“味”之间互换，这一点本身就说明了她与强相互作用力关系密切。
由于弱相互作用载体粒子(W及Z玻色子)质量很大(约 90 GeV/c2)，所以他们的寿命很短:平均寿命约为 3 × 10-25【10负25次方】秒。
弱相互作用的耦合常数(相互作用强度的一个指标)介乎10−7【10的负7次方】与10−6【10的负6次方】之间，而相比下，强相互作用的耦合常数约为1，故就强度而言，弱相互作用是弱的。
弱相用作用的作用距离很短(约为10−17–10−16m)。在大约10−18米的距离下，弱相互作用的强度与电磁大约一致;但在大约3×10−17的距离下，弱相互作用比电磁弱一万倍。
在标准模型中，弱相互作用会影响所有费米子，还有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。弱相互作用并不产生束缚态(它也不需要束缚能)--引力在天文距离下这样做，电磁力在原子距离下这样做，而强核力则在原子核中这样做。
她最明显的过程是由第一项特点所造成的:味变。比方说，一个中子比一个质子(中子的核子拍档)重，但它不能在没有变味(种类)的情况下衰变成质子，它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变，所以它一定要用弱相互作用;没有弱相互作用的话:夸克的特性，如奇异及魅(与同名的夸克相关)，会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系，所以所有介子都不稳定。在β衰变这个过程下，中子里面的“下夸克”，会发射出一个虚W−玻色子，它随即衰变成一电子及一反电中微子。
由于玻色子的大质量，所以弱衰变相对于强或电磁衰变，强度是比较低的，因此发生得比较慢。例如，一个中性π介子在通过电磁衰变时，寿命约为10-16秒;而一个带电π介子的通过弱核力衰变时，寿命约为10-8秒，是前者的一亿倍。相比下，一个自由中子(通过弱相互作用衰变)的寿命约为15分钟。
接下来我看看最后一种力，强相互作用力。最早研究的强相互作用是核子(质子或中子)之间的核力，它是使核子结合成原子核的相互作用。自1947年发现与核子作用的π介子以后，实验陆续发现了几百种有强相互作用的粒子，这些粒子统称为强子。作用距离第二短的。
核子之间的核力就是强相互作用。她抵抗了质子之间的电磁力，把质子和中子牢牢束缚在原子核内，保证了原子核内部的稳定。 随着研究的深入，我们知道了，强相互作用力跟夸克，胶子有密切关系。
也就是后来发现质子和中子都不是基本粒子，都是由更小的夸克粒子所组成。最基本作用力是将夸克束缚在质子和中子中的作用力，核子之间的强作用力其实是上述作用力的副作用。量子色动力学解释夸克中带有一种称为色荷的物质(色荷和肉眼可见的颜色没有任何关系)。带有不同色荷的夸克因着强相互作用会互相吸引，其中的介质是一种称为胶子的粒子。
可以这样通俗的说，是胶子将夸克组合为强子。所以她是一种复合粒子。我们对于夸克的了解，就是通过强子来间接了解的。还不是直接观测夸克的。这个我在一开始写这本书的时候，提到过。
强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性，也就是说，在强相互作用中有更多的守恒定律。强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长，约为10-15 m 。大约等于原子核中核子间的距离。
四种力，我已经给大家介绍完了。即使我找更多的资料，让大家的理解和认识，也远远不够。
我们所认知的四种基本相互作用:强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用，引力。除去引力，另三种相互作用都找到了合适满足特定对称性的量子场论来描述。强作用有量子色动力学;电磁相互作用有量子电动力学，理论框架建立于1920到1950年间;弱作用有费米点作用理论。
后来弱作用和电磁相互作用实现了形式上的统一，通过希格斯机制产生质量，建立了弱电统一的量子规范理论，即GWS(Glashow, Weinberg, Salam)模型。量子场论成为现代理论物理学的主流方法和工具。