[科普中國]-強相互作用

強相互作用（strong interaction）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(zhì)子或中子）之間的核力，它是使核子結(jié)合成原子核的相互作用。自1947年發(fā)現(xiàn)與核子作用的π介子以后，實驗中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子統(tǒng)稱為強子。1

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(jié)構(gòu)常數(shù)的量 e2/4π?c≈1/137 來表示，這里e是電子的電荷，2π?=h是普朗克常數(shù)，c是光速。如果強相互作用也用一個與電荷e對應(yīng)的量g來描述，則g2/(4π?с) 約為1—10。強相互作用比電磁相互作用強102—103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10－13厘米，約等于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恒定律（見對稱性和守恒律）。除實驗中還沒有發(fā)現(xiàn)破壞的能量、動量、角動量、電荷、重子數(shù)和輕子數(shù)守恒外，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(shù)守恒及粲數(shù)和底數(shù)守恒。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(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，借助于理論分析，可解釋為強作用在短距離（小于10－14厘米）處隨距離減小而變?nèi)酢?

理論詮釋對強相互作用本質(zhì)的了解一直是物理學(xué)中的困難問題。曾經(jīng)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(guī)范場的概念出發(fā)提出了量子色動力學(xué)，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(guī)范粒子場傳遞的作用。這個理論有在小距離處作用變?nèi)醯男再|(zhì)，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。1

解釋強相互作用的規(guī)范理論是量子色動力學(xué)，由組成強作用粒子（強子）的相互作用統(tǒng)一地描述強子結(jié)構(gòu)和強子之間作用。2

按照夸克模型，與量子電動力學(xué)中傳遞電磁作用的光子相對應(yīng)，這里有自旋為1的規(guī)范粒子（膠子），可被夸克所吸收或發(fā)射，并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。2

研究表明，規(guī)范場的自作用能夠產(chǎn)生相反的效果，使得在真空中的色荷吸引真空中產(chǎn)生的規(guī)范粒子，在其周圍聚集相同的色荷，造成反屏蔽的效應(yīng)。這種情況下量子色動力學(xué)有漸近自由的性質(zhì)，即隨著時空距離的變小相互作用變?nèi)酢０凑詹淮_定度關(guān)系，小的時空距離相應(yīng)于大的能量動量。2

量子色動力學(xué)中夸克的質(zhì)量不大，膠子的質(zhì)量為零，它們應(yīng)當(dāng)很容易產(chǎn)生，因此必須解釋為什么沒有在實驗中觀察到這些粒子。設(shè)想夸克和膠子是由于規(guī)范場相互作用的動力學(xué)原因而被禁閉在強子半徑10－13厘米的范圍內(nèi)的，這個圖像給出色禁閉，色禁閉在量子色動力學(xué)中是成立的。2

實驗新發(fā)現(xiàn)1967年初，美國斯坦福大學(xué)20GeV的電子直線加速器建成，隨著能量增大，實現(xiàn)了高能電子的“深度非彈性散射”，出現(xiàn)了新現(xiàn)象。由于質(zhì)子的直徑約為10－13厘米，高能電子可探測到質(zhì)子內(nèi)部。實驗發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子內(nèi)有無數(shù)點電荷，且基本上是自由運動的。3

實質(zhì)強相互作用力是作用于強子之間的力，是所知四種宇宙間基本作用力（強相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力、引力相互作用力）最強的，其作用范圍在10-15m范圍內(nèi)。強相互作用克服了電磁力產(chǎn)生的強大排斥力，把質(zhì)子和中子緊緊粘合為原子核。

強相互作用力比其它三種基本作用有更大的對稱性。對強相互作用力本質(zhì)的了解是物理學(xué)的難題。人們用強子的夸克模型和規(guī)范場的概念提出量子色動力學(xué)，

在這個理論中，強相互作用力是組成強子的夸克之間通過一些稱為膠子的規(guī)范粒子場傳遞作用。它被認為是有希望的強相互作用力基本理論。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)