強相互作用

強相互作用（strong interaction）是世界中存在的四大基本相互作用之一，是在原子核內粒子間起維系作用的力，是一種短程力，且與其他相互作用相比強度最強。在核物理學和粒子物理學中，強相互作用也稱為強力，是一種將夸克束縛成質子、中子和其他強子的基本相互作用力。強相互作用還將中子和質子束縛在一起形成原子核，此時被稱為核力。在10米的范圍內（1飛米，略大于核子半徑），強力約為電磁相互作用的100倍，弱相互作用的10倍，重力的10倍。

強相互作用的研究可以追溯到19世紀末元素天然放射性的發現，其中包括：1895年，德國科學家倫琴發現了X射線。1896年，法國科學家貝可勒爾發現了鈾的天然放射性。其間，盧瑟福(ErnestRutherford，1871-1937)先后進行了對X射線電離性質的研究和鈾的放射線研究，并將在研究中發現的兩種新的放射線命名為α射線和β射線。1900年，盧瑟福在研究釷(原子序數Z=90)放射線的電離性質時發現了釷射氣，并通過實驗證明了元素在放出射線之后會變成其他元素。

湯姆孫模型(a)和盧瑟福模型(b)中α粒子散射示意圖

1908年，盧瑟福提出了原子的核式模型。1913年，弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy，1877-1956)發現了同位素。1919年，盧瑟福又先后提出了質子和中子的概念。1934年，恩里克·費米(Enrico Fermi，1901-1954)利用中子輻射發現新的放射性元素及發現慢中子更容易誘發核反應，并因此而獲得1938年諾貝爾物理學獎。此外，費米還構造了四費米子相互作用來描述β衰變，該理論經過后續包括李政道、楊振寧在內的科學家的發展，逐漸演變為標準模型中的弱相互作用理論。但由于費米為描述β衰變提出的四費米子相互作用非常之弱，根本不足以束縛核子。1934年，湯川秀樹(Hideki Yukawa，1907-1981)引入一種新的相互作用——強相互作用，來解釋核子之間的吸引力，并根據原子核的尺寸，r~1fm(~10m)，估計出介子的質量約為m～1/r～100MeV。此外，湯川秀樹因在理論分析核力時預言了π介子的存在而獲得1949年的諾貝爾物理學獎。

湯川秀樹

1943年，奧托·施特恩(Otto Stern，1888-1969)發展了分子射線法并發現了質子的磁矩。1947年，英國物理學家鮑威爾（Cecil Frank Powell，1903-1969）拍攝了大量宇宙射線在不同高度穿過乳膠的底片，并對底片中粒子留下的軌跡進行了仔細分析后發現了湯川所預言的介子，被命名為π介子。

π介子

湯川的理論被證實以后，原子核內相互作用的理論研究開始活躍起來。人們認為有兩種完全不同的核作用力，一種是強相互作用，是以π介子傳遞方式產生的相互作用（后來證明主要是自旋唯一的矢量介子傳遞的）具有強度極大、獨立于電荷、作用距離和作用時間極短的特點。另一種是弱相互作用，這種弱核力導致了原子核的不穩定性，同時控制著原子核的衰變或放射性，被稱為β衰變。1952年，唐納德·格拉澤(Donald Arthur Glaser，1926-2013)發明的氣泡室使人們能夠研究具有更高能量的粒子，并幫助人們探測到了更多的粒子，對強子譜的研究起到了重要貢獻。1961年，羅伯特·霍夫施塔特(RoBERT Hofstadter，1915-1990)發現了核子的結構。1964年。在前人研究基礎上默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann，1929-2019)和喬治·茨威格(George Zweig)獨立地引入了夸克這種更基本的粒子來描述實驗中發現的強子。量子色動力學理論解釋了夸克攜帶的色電荷，吸收和放出膠子可使夸克改變顏色，且帶色的夸克通過交換膠子而結合。1967年初，美國斯坦福大學20GeV的電子直線加速器建成，在實驗中發現，隨著能量增大，實現了高能電子的“深度非彈性散射”，以及質子內有無數點電荷，且基本上是自由運動的。

美國斯坦福大學20GeV的電子直線加速器

1969年，美國科學家費曼（Richard Philips Feynman，1918-1988）提出了部分子模型（parton model），他把構成強子的帶電點粒子稱為部分子，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結合起來描述就是：強子是夸克通過色相互作用結合成的復合粒子，強子內的部分子可以由三類粒子組成：價夸克，海夸克和膠子。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后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。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”意味著強作用力在能量升高時“變弱”。在1970年代以前，科學家不知道核子為何可以被束縛在原子核內。當時已經知道原子核是由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電。由于正電荷之間會互相排斥，帶正電的質子應該會造成原子核的裂解，但是卻沒有觀測到類似的現象，因此需要有新的物理學說來解釋此一現象。

“自由運動”的點電荷

1973年，戴維·格羅斯(David J. Gross，1941-)，戴維·波利策(H. David Politzer，1949-)和弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek，1951-)在Phys.Rev.Lett.上發表的兩篇論文中，提議了SU（3）色規范群下非阿貝爾規范場論可以作為強相互作用的量子場論，其β函數是負的，具有反屏蔽性質使得有效耦合常數α（Q）隨著Q增大而減小，即漸近自由性質。在這一場論中強相互作用的媒介子是無質量的膠子。在QED中媒介子是光子，它是電中性的，然而這里膠子不是色中性的，正是由于膠子帶色荷，因此膠子之間有相互作用從而產生反屏蔽效應，決定了強相互作用的漸近自由性質。由于他們3人發現了這一性質，導致建立了強相互作用量子場論—量子色動力學（QCD）理論。此后，人們將夸克之間越接近，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的這種現象稱為“漸近自由”（Asymptotic Freedom）。2004年，三位學者也因發現強相互作用的漸進自由而獲得2004年諾貝爾物理學獎。

2004年諾貝爾物理學獎獲得者

1974年，丁肇中和里克特(BurtonRichter)分別在質子—核子對撞和正負電子對撞中發現了一個極窄的共振態——c夸克。c夸克的發現具有極其重大的意義，被稱為“十一月革命”，它檢驗了當時描述弱相互作用和強相互作用的理論的正確性。1990年，杰爾姆·弗里德曼（Jerome Friedman，1930-），亨利·肯德爾（Henry Kendall，1926-1999）和理查德·泰勒(Richard Taylor，1929-2018)因對電子—質子、電子—束縛中子的深度非彈性散射的開創性研究進而證實夸克的存在而獲得1990年諾貝爾物理學獎。

強相互作用是人類世界中存在的四種基本的相互作用之一，其他三種分別為引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用。

四大基本相互作用最早表現形式及其發現的年代

強相力是由粒子物理學標準模型中的量子色動力學(QCD)描述的。從數學上講，QCD是一種基于局部(規范)對稱群SU(3)的非交換規范理論。強力是膠子與其他夸克和膠子粒子相互作用的表現。QCD中的所有夸克和膠子都通過強力相互作用。相互作用的強度由強耦合常數參數化。強力作用在夸克之間。核子間的強核力可以看作是夸克間“色力”類似范德瓦爾斯力那樣的殘留效應。此外，與所有其他作用力（電磁力、弱作用力和引力作用力）不同，強力的強度不會隨著夸克之間距離的增加而減弱，在達到極限距離（大約一個強子大小）后，夸克之間的距離保持在10000左右的強度。

在量子色動力學理論中認為核子是由夸克組成的。核力本質上仍是由原子內部的電磁相互作用，原子從總體上來說是電中性的，當兩個原子離得足夠近時，將會引起電子分布的變化，電子云互相重疊，相當于兩個原子之間交換電子（電子共有）把兩個原子結合起來。與此相似，人們也可以認為“色”中性的核子相距足夠近時，介子云（由正反夸克組成）互相重疊，交換介子（共有夸克）構成核力。分子間的范德瓦爾斯力被看作是電磁相互作用的剩余作用，類似的核力也可視為夸克間強相互作用的剩余作用。

1969年，電子與質子的深度非彈性散射實驗表明強相互作用在大動量轉移時具有漸近自由的性質。1974年，丁肇中和里克特（Burton Richter，1931-2018）分別在質子—核子對撞和正負電子對撞中發現了一個極窄的共振態，其質量約為3.1GeV。丁肇中和里克特分別將其命名為J粒子和ψ。由于其質量遠遠大于之前發現的強子共振態，但寬度卻很小，它不可能是僅包含u，d或s夸克的強子激發態，因此它很可能是由理論預測的c夸克構成。c夸克的發現具有極其重大的意義，被稱為“十一月革命”——它檢驗了當時描述弱相互作用和強相互作用的理論的正確性。1977年，美國的費米實驗室(Fermilab)中由利昂·萊德曼(LEON·Lederman)領導的研究小組觀測到了底夸克。

MEYERS

1978年，德國正負電子對撞機與儲存環DORIS的PLUTO探測器發現了第一個膠子存在的證據：具有非常狹窄共振峰的強子型衰變過程，可以被解釋為三膠子產生的三噴注現象(Three-jetevent)。在后續的實驗中也證實了以上過程確實是由三膠子產生的三噴注事件，并且證實了膠子的自旋為1。

德國DORIS儲存環和束流線W1?

1995年，費米實驗室的CDF和DΦ小組才終于觀測到了頂夸克，實驗結果顯示它的質量比之前預料的大得多，跟金原子的質量幾乎一樣。夸克模型的建立和相應的實驗觀測逐步使人們加深了對強相互作用的理解，最終形成了現代標準模型中3代6味夸克的結果。夸克的基本量子數總結于下表中。

夸克的基本量子數

強相互作用漸進自由性與常見的引力和電磁力的距離越近作用越強的性質完全不同，具體表現為夸克之間越接近，強作用力越弱。當夸克之間非常接近時，強作用力非常弱，以便夸克完全可以作為自由粒子活動。在距離達到一定程度時，巨大的強相互作用將把夸克拉住，使其不能脫離強子，而表現為新的強子的產生。

強相互作用性質的另一個特征是，它還顯示出新的內部自由度和對稱性。從自旋為2/3的重子歐米格的性質可得到些線索。這個重子是由三個奇異夸克構成的，處在空間波函數是對稱的能量最低的S態。三個自旋的1/2的粒子要構成自旋為2/3的重子，其波函數也必須是自旋的對稱態。這樣設計自旋和空間，整個波函數是對稱的。這與費米子波函數為反對稱的統計性質相違背。如果粒子的統計性質是正確的，這就意味著除了空間自旋外，夸克還必須有新的內部自由度，才可能構造出反對稱的重子波函數。人們假設每種夸克還有取三個值稱為顏色的自由度，三種不同的顏色的全反對稱態可構造出無色（這個色性質與人們通常遇到的光的顏色類似，紅藍綠混合成無色的光）的重子，而正反顏色的夸克可構造出無色的介子。

強相互作用與其他相互作用的比較，具有強度大、作用距離短和有更大的對稱性等特點。強度大強度極大表現為，在四種基本的相互作用中，引力的相互作用強度最弱，在微觀世界可以忽略，而強相互作用最強。電磁相互作用的強度正比于一個稱為精細結構常數的量

，式中

為電子的電荷，

為普朗克常數，

為光速。如果強相互作用也用一個與電荷

對應的量

來描述，則

約為1~10。強相互作用比電磁相互作用強10~10倍。作用距離短作用距離短表現在萬有引力和電磁力兩種相互作用都是長程力，而弱相互作用和強相互作用是短程力。但強相互作用的力程比弱相互作用的力程長，約為10厘米。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，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、奇異數守恒及粲數和底數守恒。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。

目前強相互作用的研究前沿主要包括三個方面：強子結構、極端條件下的核結構和高溫高密核物質。這三個領域分別占美國能源部相關方面經費的約30%，剩余部分分配給相關的交叉學科研究，如核天體物理、標準模型在核物理中的檢驗及核技術應用等。而關于強相互作用的相關基礎理論研究則有大統一理論等。

QCD是公認的描述強相互作用的基本理論。但是由于其低能非微擾的特性(QCD耦合系數在低能區不再是小量，無法按其冪次進行微擾展開)，人們很難直接從QCD出發嚴格計算出夸克通過交換膠子形成強子的能譜，也無法準確地描述夸克和膠子是如何構成強子的。目前探索強子內部夸克—膠子結構的實驗主要有兩個基本途徑：一是通過高能電磁探針與核子的深度非彈散射測量核子的夸克—膠子結構函數，二是通過高能碰撞產生強子基態和激發態，研究強子譜。得益于北京正負電子對撞機，中國的強子譜實驗研究已走在國際最前列。美國物理學會主編的Physics雜志近十年來評選出的年度重要亮點成果中，強相互作用最亮的兩項成果是：(1)2013年，以中國科學家為主的BESIII實驗組發現了Zc(3900)四夸克態；(2)2015年，中國科學家做出突出貢獻的LHCb實驗組發現了兩個Pc五夸克態。

傳統強子與奇特強子態，QCD還允許更多夸克組分的色單態強子的存在

經典的核殼結構模型和集體運動模型成功地解釋了自然界中觀測到的穩定原子核的結構，但高速旋轉、超級變形、反常中子質子比、超重、摻雜超子等極端條件下的不穩定原子核出現了很多新的現象和新的結構，如何在一個統一的理論框架下定量地描述所有原子核的內部結構是當前核結構物理學家面臨的一個新的挑戰。

QCD相圖。橫軸為重子化學勢(可簡單理解為重子或夸克的數量)，縱軸為溫度

由強相互作用主導的物質狀態的轉變對人們理解早期宇宙的演化及中子星等致密星體的結構與性質至關重要。日常所見的物質相變本質上由電磁相互作用主導，人們可以從實驗和理論中得到相應的相圖。類似地，強相互作用的物質的相變也由其相圖描述(圖7)。強相互作用的物質包括核物質、強子氣體、色超導和夸克—膠子等離子體等幾種狀態。目前對QCD相變的實驗研究主要集中在高溫低密和低溫高密兩個方向。

1974年，美國科學家喬治（Howard Georgi，1947-）和格拉肖(Glashow)提出了把強、弱、電三種相互作用統一在一起的SU（5）大統一理論。該理論認為：質子是不穩定的，估算出的質子壽命約為1028-2.5×1031年。大統一理論還作出預言：它可以自動得出電荷量子化，即所有電荷應是e/3的整數倍的結論。大一統理論與標準模型不同，它預測質子衰變的存在。科學家們推測，一旦證實質子真的會衰變，大約1035年以后，宇宙將成為稀薄的電子正電子等離子體。1974年，美籍澳大利亞科學家奎恩（Helen Quinn，1943-）與喬治和溫伯格計算出實現強相互作用和弱電相互作用之間團聚所需的能量。之后，美國IBM公司的一個協作組在俄亥俄（Ohio）州克里弗蘭市以東600多米的一個鹽礦中進行實驗。經試驗推算，質子的壽命一定大于1.7×1032年，從而否定了SU（5）大統一理論。但是，一個由印度和日本科學家組成的實驗小組，卻在實驗的兩年內共發現6個質衰變的事例，其中3個認為是比較可靠的，并據此推算出質子的平均壽命約為7×1030年，與大統一理論相符。但這一實驗結果比較粗糙，沒有得到公認。質子是否衰變尚在探索之中。為了克服大統一模型的缺點，科學家們對于是否存在著更大的對稱性更加關注。1973年時有人提出來一個巧妙的數學結構，稱為超對稱（super-symmetry）理論。按照這一理論，費米子和玻色子都填入同一線性表示中，通過規范作用可以互相轉化。為了達到這一目的，理論不得不在已知的微觀粒子基礎上引入大量配偶粒子。超對稱理論形式十分美妙，可惜這些配偶粒子至今都沒有找到。

超對稱理論

1976年，為了把引力也統一進來，把引力作用也理解為一種規范作用，有人提出新的對稱概念，稱為超引力（super-gravity）理論。1984年又有人提出了超弦（super-string）理論。超弦理論認為微觀粒子不是一個點，而是一條弦，并在弦的基礎上形成一套量子化方法，但由于數學上的困難，一些基本參數暫時還算不出來。弦理論預言宇宙除了三維空間外，還存在著額外維空間。20世紀90年代，有人在10維空間弦理論的基礎上提出了11維空間的膜（M）理論。膜理論認為人們直接觀測所及的好似無邊的宇宙是十維時空中的一個四維超曲面，就像薄薄的一層膜。膜理論使一些原本難以計算的東西可以用弦論工具來做嚴格的計算了。

超弦（super-string）理論

核力的應用涉及核聚變與核裂變兩種基本過程：太陽連同所有其他恒星，通過核聚變反應——兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量來提供動力；而核裂變，則是指把一個原子核分裂成多個原子核所釋放的能量，主要應用于核能發電和核武器的生產，如原子彈、氫彈和中子彈等。

核能也稱原子能，是原子核結構發生變化時釋放出來的巨大能量。核能發電利用的是裂變能。以壓水堆核電站為例，核燃料在反應堆中通過核裂變產生的熱量加熱一回路高壓水，一回路水通過蒸汽發生器加熱二回路水使之變為蒸汽。蒸汽通過管路進入汽輪機，推動汽輪發電機發電，發出的電通過電網送至千家萬戶。整個過程的能量轉換是由核能轉換為熱能，熱能轉換為機械能，機械能再轉換為電能。核電站可分為兩部分，一是核島，包括反應堆廠房、輔助廠房、核燃料廠房和應急柴油機廠房。二是常規島，包括汽輪發電機廠房和海水泵房。核能發電的裂變過程涉及基本粒子的強相互作用。

核能發電基本原理

原子彈原子彈是利用原子核裂變反應釋放出大量能量的原理制成的一種核武器，核裝藥一般為钚-239、鈾-235，這些物質的原子核在熱中子轟擊下，分裂為兩個或若干個裂片和若干個中子，同時釋放出巨大的能量，新產生的中子又去轟擊其它原子核，如此連續發展下去，核分裂的數量就會急劇增加，形成鏈式反應，僅在百分之幾秒內就會出現猛烈爆炸，并放出非常大的能量，在此過程中涉及到強相互作用。日本長崎是第一個遭受原子彈災難的城市。

原子彈引爆

氫彈氫彈，是利用輕原子核聚合成較重原子核過程中釋放出大量能量的原理制成的核武器。因為這種核聚變反應是在超高溫高壓條件下進行的，且單位質量所釋放出來的能量一般為核裂變反應的4倍以上，能產生更大的破壞作用，通常又稱這種聚變反應為熱核反應。又因為原子核越輕，所帶電荷越少，產生聚變反應所需的能量也越低。因此，一般都用氫的同位素氘、氚和氘化鋰等物質作為核裝藥，故將這種核武器稱為氫彈。聚變過程涉及基本粒子的強相互作用。人類歷史上第一次試驗的氫彈是1952年11月1日美國爆炸的“常春藤麥克”。

常春藤麥克的蘑菇云

中子彈中子彈是一種利用核材料聚變反應放出巨大能量的原理制成的核武器，因此又被稱為特殊的氫彈。由于它是利用輕核聚變時產生的大量高能中子進行殺傷破壞的一種小型核武器，故又被稱為以高能中子輻射為主要殺傷力的小型氫彈。中子彈主要核裝藥是氘和氚的混合物，是目前世界上唯一已實現生產和部署的一種第三代核武器。聚變過程涉及基本粒子的強相互作用。

美國W79型中子彈示意圖