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强相互作用

2020-10-16

出处：族谱网

作者：阿族小谱

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概念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10m。大约等于原子核中核子间的距离。对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。人们曾经提出过许多强相互作用的理论，它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量，因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中，强相互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。它被认为是有希望的强相互作用基本理论。历史在1970年代以前，科学家不知道核子为何可以束缚在原子核内。当时已经知道原子核是由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。若只考虑静电子，带正电的质子应该会互相排斥，最后原子核应该会分解，但是却没有...

概念

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 m 。大约等于原子核中核子间的距离。

对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。人们曾经提出过许多强相互作用的理论，它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量，因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中，强相互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。它被认为是有希望的强相互作用基本理论。

历史

在1970年代以前，科学家不知道核子为何可以束缚在原子核内。当时已经知道原子核是由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。若只考虑静电子，带正电的质子应该会互相排斥，最后原子核应该会分解，但是却没有观测到类似的现象，因此需要有新的物理学说来解释此一现象。

为了解释原子核中的质子没有因电磁力互相排斥，反而聚集在一起，科学家开始假设有一种较强的吸引力的存在，这种假想的作用力称为“强作用力”，科学家认为是在质子和中子等核子之间的基本作用力。

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。

细节

强相互作用的基本耦合方式，从左到右分别是：胶子辐射、胶子分裂及胶子自耦合

强相互作用的“强”字，表示若在几个飞米或是更短的距离内，强相互作用的强度比其他三种基本作用力都强：其强度是电磁力的137倍、弱相互作用的10 倍、引力的10 倍。

强相互作用的特性

质子和中子衍射的费曼图，中间产生了π介子

上述的费曼图，但标示所有的夸克，表示强作用力运作的方式。其中的直线是夸克，而由几个不同颜色圆形组合，类似橡皮筋绳的是胶子，其他在质子、中子π介子中固定的胶子省略不画出

量子色动力学（QCD）是现代对强相互作用的描述，是粒子物理学中标准模型的一部分。在数学上，量力色动力学是非阿贝尔群的规范场论，以称为SU(3)的空间对称群为其基础。

基本粒子中，只有夸克及胶子会带着不会消失的色荷，因此基本粒子中也只有这两种会参与强相互作用，其作用的强度是依强相互作用耦合常数来决定，强度会被粒子的色荷所调整，这是群论中的性质。

强相互作用和其他基本作用力不同，随着距离的增加，强相互作用的强度不会降低。在超过一定距离（约强子的大小）后，即使夸克之间距离多远，其强度仍有约10,000牛顿。在量子色动力学中这称为夸克禁闭，因此只观察的到由夸克组合成的强子，无法观察到单独存在的夸克。其解释是10,000牛顿的力（约是在地球表面一公吨物质的重量），所作的功在短距离的作用下就可以足以产生夸克-反夸克对。简单来说，拉住二个夸克的力产生了一对新的夸克，这二个新的夸克和分别和原来的夸克形成夸克对。所有实验都无法找到自由夸克的结果也可以证实这种观点。

基本夸克和胶子粒子的作用无法直接观测到，不过可以由粒子加速器中，当能量冲击夸克-夸克键结，或当质子中的夸克被另一个（在中子中）高速的夸克撞击时，产生的强子得知。

任一个夸克和宇宙中大多数夸克的作用力都不会像以上所述，强度不随距离而减少，原因是因为夸克禁闭的影响，在一段距离以外只能看到成群的夸克，而成群夸克（即强子）的色荷会互相抵消，因此和几乎没有色荷相同。而强子和强子之间几乎没有强相互作用，但因为色荷的相消并不完全，会有残余的强相互作用，称为残余强相互作用，而残余强相互作用会随着距离而减少，因此在一定距离以外，其作用效果类似“无色荷”的重子，因此称为“强核力”也称为核力。

残留强作用力

残留强作用力的效果称为核力，核力会在强子之间作用，例如介子或原子核中的核子。残留强作用力会传递胶子，形成π介子及ρ介子的介子，这些介子会在核子之间传递核力。

残留强作用力是将夸克束缚为质子及中子强作用力的残留量，因为质子和中子几乎是无色荷的，因此其作用力比束缚夸克的作用力小很多，就像中性原子之间的电磁力（范德瓦耳斯力）也比原子核和电子之间的电磁力小很多。

残留强作用力和强作用力本身不同，强作用力不会距离增加而变小，但残留强作用力会随距离的增加而快速减小。其减小的趋势接近距离的负指数，不过没有简单的表示式（参照汤川势（英语： Yukawa potential ））。因为上述事实，再加上质子之间的排斥力随距离不会那么快下降，造成了原子数大于82（铅）所有原子核的不稳定。