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| 強相互作用 | |
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強相互作用， 是自然界四種基本相互作用中最強的一種。最早研究的強相互作用是核子(質子或中子)之間的核力，它是使核子結合成原子核的相互作用。
自1947年發現與核子作用的π介子以後，實驗中陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子統稱為強子。
基本信息
中文名 強相互作用
外文名 strong interaction
提出者 格羅斯[2]
提出時間 1973年
應用學科 物理學
適用領域範圍 量子色動力學
特點
強相互作用與其他相互作用相比有如下一些特點:①強度大。電磁相互作用的強度可用一個稱為精細結構常數的量 e/4πћc≈1/137 來表示，這裡e是電子的電荷，2πћ=h是普朗克常數，c是光速。
如果強相互作用也用一個與電荷e對應的量g來描述，則g/(4πћс) 約為1-10。強相互作用比電磁相互作用強10-10倍。②強相互作用不像引力和電磁作用那樣是長程力而是短程力。
但力程比弱相互作用的力程長，約為10^-11米(即0.1納米)，約等於原子核中核子間的距離。③比其他三種基本作用有更大的對稱性。即在強相互作用中有更多的守恆定律(見對稱性和守恆律)。
除實驗中還沒有發現破壞的能量、動量、角動量、電荷、重子數和輕子數守恆外，強作用還有在弱作用或電磁作用中被破壞的宇稱、C宇稱、同位旋、奇異數守恆及粲數和底數守恆。
此外，強作用還有一些近似的對稱性，如SU(3)味對稱和手征對稱性。④20世紀70年代以來，在深度非彈性散射等一系列高能量實驗中發現一些新現象，藉助於理論分析，可解釋為強作用在短距離(小於10厘米)處隨距離減小而變弱。
理論詮釋
對強相互作用本質的了解一直是物理學中的困難問題。曾經提出過許多處理強作用的理論和方法，但取得的成就都很有限。原因之一是理論中沒有小參量，找不到可靠的近似方法。
由強子的夸克模型和規範場的概念出發提出了量子色動力學，這個理論中強作用是組成強子的夸克之間通過一些稱為膠子的規範粒子場傳遞的作用。這個理論有在小距離處作用變弱的性質，稱為漸近自由，已為實驗證實，取得了成功，被認為是強作用基本理論。
解釋強相互作用的規範理論是量子色動力學，由組成強作用粒子(強子)的相互作用統一地描述強子結構和強子之間作用。
按照夸克模型，與量子電動力學中傳遞電磁作用的光子相對應，這裡有自旋為1的規範粒子(膠子)，可被誇克所吸收或發射，並傳遞夸克之間的色作用力。這種力把夸克束縛在強子中，是兩個強子之間的通常的強作用力的來源。
研究表明，規範場的自作用能夠產生相反的效果，使得在真空中的色荷吸引真空中產生的規範粒子，在其周圍聚集相同的色荷，造成反屏蔽的效應。這種情況下量子色動力學有漸近自由的性質，即隨着時空距離的變小相互作用變弱。按照不確定度關係，小的時空距離相應於大的能量動量。
量子色動力學中夸克的質量不大，膠子的質量為零，它們應當很容易產生，因此必須解釋為什麼沒有在實驗中觀察到這些粒子。設想夸克和膠子是由於規範場相互作用的動力學原因而被禁閉在強子半徑10厘米的範圍內的，這個圖像給出色禁閉，色禁閉在量子色動力學中是成立的。
實驗新發現
1967年初，美國斯坦福大學20GeV的電子直線加速器建成，隨着能量增大，實現了高能電子的"深度非彈性散射"，出現了新現象。由於質子的直徑約為10厘米，高能電子可探測到質子內部。實驗發現，質子內有無數點電荷，且基本上是自由運動的。
強相互作用理論—量子色動力學
原子核內粒子的間的強作用力是原子核內起維繫作用的力，它將質子和中子中的夸克束縛在一起，並將原子中的質子和中子束縛在一起。 1967年初，美國斯坦福大學20GeV的電子直線加速器建成（右圖），隨着能量增大，實現了高能電子的「深度非彈性散射」，出現了新現象。由於質子的直徑約為(10)^(-13)厘米，高能電子正好可探測到質子內部，因此被稱為電子-質子的深度非彈性散射。
實驗發現，質子內有無數點電荷，且基本上是自由運動的。這一發現令科學家們大吃一驚。 1969年，美國科學家費曼（Richard Philips Feynman，1918-1988）（左圖）提出了部分子模型（parton model），他認為強子是由許多帶電的點粒子構成，這些點粒子稱為部分子，在高能電磁相互作用和弱相互作用過程中可以近似作為相互獨立的粒子。 部分子模型和夸克模型是從不同的角度、用不同的方法，得出了同樣的結論。 部分子模型和夸克模型結合起來描述：強子是夸克通過色相互作用結合成的複合粒子，強子內的部分子可以由三類粒子組成：一類稱為價夸克，它們的數目和味是確定的，並隨不同強子而不同，價夸克決定強子的性質；第二類稱為海夸克，它們的數目和味。
是不確定的，但其總和的味性質和真空相同；第三類稱為膠子，它們的數目不定，其味性質和真空相同，起傳遞色相互作用的作用。 質子內部除了uud 三個夸克（價夸克）外，在極高能量的電子打入後又被激發出了無數的正反夸克對（q`q）（海夸克），所以才看到了無數的「自由運動」的點電荷（右圖）。
這樣，在低能下看到的質子（由三個夸克組成）和在高能下看到的質子（內部有無數個幾乎自由運動的點電荷粒子）就統一起來了。正反夸克對（q`q）的「自由運動」意味着強作用力在能量升高時「變弱」。
1973年，美國科學家格羅斯（David Jonathan Gross，1941- ）（左 圖左）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）（左 圖中）、威爾茨克（Frank Wilczek，1951- ）（左圖右）通過一個完善的數學模型說明
：夸克之間越接近，強作用力越弱。當夸克之間非常接近時，強作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動。這種現象稱為「漸近自由」（Asymptotic Freedom）。
反之，夸克之間距離越大，強作用力就越強。「漸近自由」的發現導致了全新的理論——量子色動力學（QCD）的誕生。 量子色動力學解釋了膠子（gluon）的存在（膠子是強子中的電中性粒子，其作用是使夸克粘合而形成強子，膠子有八種態），認為帶色的夸克通過交換膠子而結合，即夸克與夸克、或夸克與反夸克、或反夸克與反奈克之間通過膠子而結合在一起（右圖）。
凡帶有色荷的粒子能放出和吸收膠子，從而實現強相互作用。吸收和放出膠子可使夸克改變顏色。而原子核內的核力是核子內夸克之間強相互作用力的剩餘效應。 實驗中一直沒有發現自由夸克和膠子的存在。因夸克和膠子都有「色」量子數，一種猜測是帶有顏色的夸克和膠子就像被囚禁在整體無色的「牢籠」裡面，這種現象稱為「色禁閉」（color confinement）。「色禁閉」的解釋已有各種理論證據，但仍然屬於研究的前沿問題。
量子力學:弱相互作用和強相互作用的區別
導讀:量子力學體系下有兩種力，一種是強力，一種是弱力。一起來認識一下。本文共計1800多字。需要10分鐘閱讀時間。
粒子尺度下的兩種力。我們先來說說弱相互作用。我們現在知道了弱相互作用的理論指出，它是由W及Z玻色子的交換(即發射或吸收)所引起的，由於弱力是由玻色子的發射(或吸收)所造成的，所以它是一種非接觸力。這種發射中最有名的是β衰變，它是放射性的一種表現。
重的粒子性質不穩定，由於Z及W玻色子比質子或中子重得多，所以弱相互作用的作用距離非常短。這種相互作用叫做「弱」，是因為它的一般強度，比電磁及強核力弱好幾個數量級。
大部份粒子在一段時間後，都會通過弱相互作用衰變。弱相互作用有一種獨一無二的特性--那就是夸克味變--其他相互作用做不到這一點。另外，它還會破壞宇稱對稱及CP對稱。夸克的味變使得夸克能夠在六種「味」之間互換，這一點本身就說明了她與強相互作用力關係密切。
由於弱相互作用載體粒子(W及Z玻色子)質量很大(約 90 GeV/c2)，所以他們的壽命很短:平均壽命約為 3 × 10-25【10負25次方】秒。
弱相互作用的耦合常數(相互作用強度的一個指標)介乎10−7【10的負7次方】與10−6【10的負6次方】之間，而相比下，強相互作用的耦合常數約為1，故就強度而言，弱相互作用是弱的。
弱相用作用的作用距離很短(約為10−17–10−16m)。在大約10−18米的距離下，弱相互作用的強度與電磁大約一致;但在大約3×10−17的距離下，弱相互作用比電磁弱一萬倍。
在標準模型中，弱相互作用會影響所有費米子，還有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一種對中微子有效的相互作用。弱相互作用並不產生束縛態(它也不需要束縛能)--引力在天文距離下這樣做，電磁力在原子距離下這樣做，而強核力則在原子核中這樣做。
她最明顯的過程是由第一項特點所造成的:味變。比方說，一個中子比一個質子(中子的核子拍檔)重，但它不能在沒有變味(種類)的情況下衰變成質子，它兩個「下夸克」中的一個需要變成「上夸克」。由於強相互作用和電磁相互作用都不允許味變，所以它一定要用弱相互作用;沒有弱相互作用的話:夸克的特性，如奇異及魅(與同名的夸克相關)，會在所有相互作用下守恆。因為弱衰變的關係，所以所有介子都不穩定。在β衰變這個過程下，中子裡面的「下夸克」，會發射出一個虛W−玻色子，它隨即衰變成一電子及一反電中微子。
由於玻色子的大質量，所以弱衰變相對於強或電磁衰變，強度是比較低的，因此發生得比較慢。例如，一個中性π介子在通過電磁衰變時，壽命約為10-16秒;而一個帶電π介子的通過弱核力衰變時，壽命約為10-8秒，是前者的一億倍。相比下，一個自由中子(通過弱相互作用衰變)的壽命約為15分鐘。
接下來我看看最後一種力，強相互作用力。最早研究的強相互作用是核子(質子或中子)之間的核力，它是使核子結合成原子核的相互作用。自1947年發現與核子作用的π介子以後，實驗陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子統稱為強子。作用距離第二短的。
核子之間的核力就是強相互作用。她抵抗了質子之間的電磁力，把質子和中子牢牢束縛在原子核內，保證了原子核內部的穩定。 隨着研究的深入，我們知道了，強相互作用力跟夸克，膠子有密切關係。
也就是後來發現質子和中子都不是基本粒子，都是由更小的夸克粒子所組成。最基本作用力是將夸克束縛在質子和中子中的作用力，核子之間的強作用力其實是上述作用力的副作用。量子色動力學解釋夸克中帶有一種稱為色荷的物質(色荷和肉眼可見的顏色沒有任何關係)。帶有不同色荷的夸克因着強相互作用會互相吸引，其中的介質是一種稱為膠子的粒子。
可以這樣通俗的說，是膠子將夸克組合為強子。所以她是一種複合粒子。我們對於夸克的了解，就是通過強子來間接了解的。還不是直接觀測夸克的。這個我在一開始寫這本書的時候，提到過。
強相互作用比其他三種基本作用有更大的對稱性，也就是說，在強相互作用中有更多的守恆定律。強相互作用不像引力和電磁相互作用那樣是長程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程長，約為10-15 m 。大約等於原子核中核子間的距離。
四種力，我已經給大家介紹完了。即使我找更多的資料，讓大家的理解和認識，也遠遠不夠。
我們所認知的四種基本相互作用:強相互作用，電磁相互作用，弱相互作用，引力。除去引力，另三種相互作用都找到了合適滿足特定對稱性的量子場論來描述。強作用有量子色動力學;電磁相互作用有量子電動力學，理論框架建立於1920到1950年間;弱作用有費米點作用理論。
後來弱作用和電磁相互作用實現了形式上的統一，通過希格斯機制產生質量，建立了弱電統一的量子規範理論，即GWS(Glashow, Weinberg, Salam)模型。量子場論成為現代理論物理學的主流方法和工具。