强相互作用
| 粒子物理学标准模型 |
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强相互作用（又称强力或强核力）是作用于强子之间的力，是已知四种基本作用力中最强的，也是作用距离第二短的（大约在 10-15 m 范围内[1]，比弱相互作用的范围大）。另外三种相互作用分别是引力、电磁力及弱相互作用。核子间的核力就是强相互作用。它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。强相互作用也将夸克基本粒子结合成为质子及中子等强子，这也是组成大部分物质的粒子。而且一般质子或中子里，大部分的质能是以强相互作用场能量的形式存在，夸克只提供了1%的质能。
强相互作用可以在二个地方看到：较大的尺度（约1至3飞米）下，强相互作用将质子及中子结合成为原子的原子核，较小的尺度（约0.8飞米，约为核子的尺寸）下，强相互作用将夸克结合，成为质子、中子或其他强子。强相互作用的作用力非常强，大到束缚一个夸克的能量可以转换为新的夸克对的质量，强相互作用的这个性质称为夸克禁闭。
强相互作用是唯一强度不会随距离减小的作用力，但因为夸克禁闭，夸克会限制和其他夸克在一起，形成的强子之间会有残留的强相互作用，也称为核力，核力会随距离而迅速减少。撞击原子核释放的部分束缚能和产生的核力有关，而核力也用在核能及核聚变式的核武器中[2][3]。
强相互作用一般认为是由胶子传递的[4]，胶子会在夸克、反夸克及其他胶子之间交换。胶子会带有色荷，色荷和人眼可见的颜色完全没有关系[5]，色荷类似电荷，但色荷有六种（红、绿、蓝、反红、反绿、反蓝），因此会形成不同的力，有不同的规则，在量子色动力学（QCD）中有描述，这也是夸克-胶子相互作用的基础。吴秀兰等科学家对胶子发现有很大贡献，因此在1995年获得了欧洲物理学会髙能和粒子物理奖[6]。
在大爆炸后，电弱时期时，弱电相互作用和强相互作用分离，统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。科学家进一步预期有一个大统一理论可以统一弱电相互作用及强相互作用[7]，现今有许多是大统一理论的理论，第一个是哈沃德·乔吉和谢尔登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大统一理论，但和实验不合，其他的理论有SO(10)模型、乔吉-格拉肖模型，但还没有一个是广为科学家接受，且有实验证实的理论[8]，而且许多大统一理论都预言质子衰变，但目前也还没有实验支持，大统一理论也还是未解决的物理学问题之一。
概念
[编辑]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。
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。
在1970年代以前，科学家不知道核子为何可以被束缚在原子核内。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。由于正电荷之间会互相排斥，带正电的质子应该会造成原子核的裂解，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具有一种称为色荷的性质[9]，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
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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：其强度约电磁力的136.82倍、弱相互作用的106倍、重力的1039倍[10]。
强相互作用的特性
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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，量子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[11]。在量子色动力学中这称为夸克禁闭[12]，因此只观察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（约是在地球表面一吨物质的重量），所做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
[编辑]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[13]。
残留强作用力和强作用力本身不同，强作用力不会随距离增加而变小，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）。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，造成了原子序数大于82（铅）所有原子核的不稳定[14]。
相关条目
[编辑]文献
[编辑]- ^ 郑嘉武; 邓天德. 自然科學論集. 中国文化大学出版部. 1981.
- ^ on Binding energy: see Binding Energy, Mass Defect （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Furry Elephant physics educational site, retr 2012 7 1
- ^ on Binding energy: see Chapter 4 NUCLEAR PROCESSES, THE STRONG FORCE （页面存档备份，存于互联网档案馆）, M. Ragheb 1/27/2012, University of Illinois
- ^ 緻密小步舞曲— 重離子對撞，再現宇宙大爆炸. 泛科学. [2015-03-25]. （原始内容存档于2015-04-02）.
- ^ Feynman, Richard, QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press: 136, 1985, ISBN 0-691-08388-6,
The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color,' which has nothing to do with color in the normal sense.
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- ^ 一鸿·徐. 膨脹的宇宙 愛因斯坦的玩具. 五南图书出版股份有限公司. 2006: 150–. ISBN 978-957-11-4195-4.
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- ^ 清凉·林; 戴念祖. 力學 牛頓力學, 彈性、液體和熱力學. 五南图书出版股份有限公司. 2005: 141–. ISBN 978-957-11-3889-3.
- ^ Fritzsch, op. cite, p. 164. The author states that the force between differently colored quarks remain constant at any distance after they travel only a tiny distance from each other, and is equal to that need to raise one ton, which is 1000 kg x 9.8 m/s^2 = ~10,000 N.
- ^ 林清凉. 近代物理 原子核物理学简介、基本粒子物理学简介. II. 五南图书出版股份有限公司. 2003: 464–. ISBN 978-957-11-3227-3.
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延伸阅读
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- R. Morris. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press. 2003. ISBN 0-309-50593-3.
