强相互作用

强相互作用（strong interaction）是世界中存在的四大基本相互作用之一，是在原子核内粒子间起维系作用的力，是一种短程力，且与其他相互作用相比强度xxx。在核物理学和粒子物理学中，强相互作用也称为强力，是一种将夸克束缚成质子、中子和其他强子的基本相互作用力。强相互作用还将中子和质子束缚在一起形成原子核，此时被称为核力。在10米的范围内（1飞米，略大于核子半径），强力约为电磁相互作用的100倍，弱相互作用的10倍，重力的10倍。

强相互作用的研究可以追溯到19世纪末元素天然放射性的发现，其中包括：1895年，德国科学家伦琴发现了X射线。1896年，法国科学家贝可勒尔发现了铀的天然放射性。其间，卢瑟福(ErnestRutherford，1871-1937)先后进行了对X射线电离性质的研究和铀的放射线研究，并将在研究中发现的两种新的放射线命名为α射线和β射线。1900年，卢瑟福在研究钍(原子序数Z=90)放射线的电离性质时发现了钍射气，并通过实验证明了元素在放出射线之后会变成其他元素。

汤姆孙模型(a)和卢瑟福模型(b)中α粒子散射示意图

1908年，卢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)发现了同位素。1919年，卢瑟福又先后提出了质子和中子的概念。1934年，恩里克·费米(Enrico Fermi，1901-1954)利用中子辐射发现新的放射性元素及发现慢中子更容易诱发核反应，并因此而获得1938年诺贝尔物理学奖。此外，费米还构造了四费米子相互作用来描述β衰变，该理论经过后续包括李政道、杨振宁在内的科学家的发展，逐渐演变为标准模型中的弱相互作用理论。但由于费米为描述β衰变提出的四费米子相互作用非常之弱，根本不足以束缚核子。1934年，汤川秀树(Hideki Yukawa，1907-1981)引入一种新的相互作用——强相互作用，来解释核子之间的吸引力，并根据原子核的尺寸，r~1fm(~10m)，估计出介子的质量约为m∼1/r∼100MeV。此外，汤川秀树因在理论分析核力时预言了π介子的存在而获得1949年的诺贝尔物理学奖。

汤川秀树

1943年，奥托·施特恩(Otto Stern，1888-1969)发展了分子射线法并发现了质子的磁矩。1947年，英国物理学家鲍威尔（Cecil Frank Powell，1903-1969）拍摄了大量宇宙射线在不同高度穿过乳胶的底片，并对底片中粒子留下的轨迹进行了仔细分析后发现了汤川所预言的介子，被命名为π介子。

π介子

汤川的理论被证实以后，原子核内相互作用的理论研究开始活跃起来。人们认为有两种完全不同的核作用力，一种是强相互作用，是以π介子传递方式产生的相互作用（后来证明主要是自旋xxx的矢量介子传递的）具有强度极大、独立于电荷、作用距离和作用时间极短的特点。另一种是弱相互作用，这种弱核力导致了原子核的不稳定性，同时控制着原子核的衰变或放射性，被称为β衰变。1952年，唐纳德·格拉泽(Donald Arthur Glaser，1926-2013)发明的气泡室使人们能够研究具有更高能量的粒子，并帮助人们探测到了更多的粒子，对强子谱的研究起到了重要贡献。1961年，罗伯特·霍夫施塔特(Robert Hofstadter，1915-1990)发现了核子的结构。1964年。在前人研究基础上默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann，1929-2019)和乔治·茨威格(George Zweig)独立地引入了夸克这种更基本的粒子来描述实验中发现的强子。量子色动力学理论解释了夸克携带的色电荷，吸收和放出胶子可使夸克改变颜色，且带色的夸克通过交换胶子而结合。1967年初，美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器建成，在实验中发现，随着能量增大，实现了高能电子的“深度非弹性散射”，以及质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。

美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器

1969年，美国科学家费曼（Richard Philips Feynman，1918-1988）提出了部分子模型（parton model），他把构成强子的带电点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。部分子模型和夸克模型结合起来描述就是：强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：价夸克，海夸克和胶子。质子内部除了uud三个夸克（价夸克）外，在极高能量的电子打入后又被激发出了无数的正反夸克对（q`q）（海夸克），所以才看到了无数的“自由运动”的点电荷。这样，在低能下看到的质子（由三个夸克组成）和在高能下看到的质子（内部有无数个几乎自由运动的点电荷粒子）就统一起来了。正反夸克对（q`q）的“自由运动”意味着强作用力在能量升高时“变弱”。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。

“自由运动”的点电荷

1973年，戴维·格罗斯(David J. Gross，1941-)，戴维·波利策(H. David Politzer，1949-)和弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek，1951-)在Phys.Rev.Lett.上发表的两篇论文中，提议了SU（3）色规范群下非阿贝尔规范场论可以作为强相互作用的量子场论，其β函数是负的，具有反屏蔽性质使得有效耦合常数α（Q）随着Q增大而减小，即渐近自由性质。在这一场论中强相互作用的媒介子是无质量的胶子。在QED中媒介子是光子，它是电中性的，然而这里胶子不是色中性的，正是由于胶子带色荷，因此胶子之间有相互作用从而产生反屏蔽效应，决定了强相互作用的渐近自由性质。由于他们3人发现了这一性质，导致建立了强相互作用量子场论—量子色动力学（QCD）理论。此后，人们将夸克之间越接近，强作用力越弱，当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动的这种现象称为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。2004年，三位学者也因发现强相互作用的渐进自由而获得2004年诺贝尔物理学奖。

2004年诺贝尔物理学奖获得者

1974年，丁肇中和里克特(BurtonRichter)分别在质子—核子对撞和正负电子对撞中发现了一个极窄的共振态——c夸克。c夸克的发现具有极其重大的意义，被称为“十一月xxx”，它检验了当时描述弱相互作用和强相互作用的理论的正确性。1990年，杰尔姆·弗里德曼（Jerome Friedman，1930-），亨利·肯德尔（Henry Kendall，1926-1999）和理查德·泰勒(Richard Taylor，1929-2018)因对电子—质子、电子—束缚中子的深度非弹性散射的开创性研究进而证实夸克的存在而获得1990年诺贝尔物理学奖。

强相互作用是人类世界中存在的四种基本的相互作用之一，其他三种分别为引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用。

四大基本相互作用最早表现形式及其发现的年代

强相力是由粒子物理学标准模型中的量子色动力学(QCD)描述的。从数学上讲，QCD是一种基于局部(规范)对称群SU(3)的非交换规范理论。强力是胶子与其他夸克和胶子粒子相互作用的表现。QCD中的所有夸克和胶子都通过强力相互作用。相互作用的强度由强耦合常数参数化。强力作用在夸克之间。核子间的强核力可以看作是夸克间“色力”类似范德瓦尔斯力那样的残留效应。此外，与所有其他作用力（电磁力、弱作用力和引力作用力）不同，强力的强度不会随着夸克之间距离的增加而减弱，在达到极限距离（大约一个强子大小）后，夸克之间的距离保持在10000左右的强度。

在量子色动力学理论中认为核子是由夸克组成的。核力本质上仍是由原子内部的电磁相互作用，原子从总体上来说是电中性的，当两个原子离得足够近时，将会引起电子分布的变化，电子云互相重叠，相当于两个原子之间交换电子（电子共有）把两个原子结合起来。与此相似，人们也可以认为“色”中性的核子相距足够近时，介子云（由正反夸克组成）互相重叠，交换介子（共有夸克）构成核力。分子间的范德瓦尔斯力被看作是电磁相互作用的剩余作用，类似的核力也可视为夸克间强相互作用的剩余作用。

1969年，电子与质子的深度非弹性散射实验表明强相互作用在大动量转移时具有渐近自由的性质。1974年，丁肇中和里克特（Burton Richter，1931-2018）分别在质子—核子对撞和正负电子对撞中发现了一个极窄的共振态，其质量约为3.1GeV。丁肇中和里克特分别将其命名为J粒子和ψ。由于其质量远远大于之前发现的强子共振态，但宽度却很小，它不可能是仅包含u，d或s夸克的强子激发态，因此它很可能是由理论预测的c夸克构成。c夸克的发现具有极其重大的意义，被称为“十一月xxx”——它检验了当时描述弱相互作用和强相互作用的理论的正确性。1977年，美国的费米实验室(Fermilab)中由利昂·莱德曼(Leon·Lederman)领导的研究小组观测到了底夸克。

MEYERS

1978年，德国正负电子对撞机与储存环DORIS的PLUTO探测器发现了xxx个胶子存在的证据：具有非常狭窄共振峰的强子型衰变过程，可以被解释为三胶子产生的三喷注现象(Three-jetevent)。在后续的实验中也证实了以上过程确实是由三胶子产生的三喷注事件，并且证实了胶子的自旋为1。

德国DORIS储存环和束流线W1 

1995年，费米实验室的CDF和DΦ小组才终于观测到了顶夸克，实验结果显示它的质量比之前预料的大得多，跟金原子的质量几乎一样。夸克模型的建立和相应的实验观测逐步使人们加深了对强相互作用的理解，最终形成了现代标准模型中3代6味夸克的结果。夸克的基本量子数总结于下表中。

夸克的基本量子数

强相互作用渐进自由性与常见的引力和电磁力的距离越近作用越强的性质完全不同，具体表现为夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力非常弱，以便夸克完全可以作为自由粒子活动。在距离达到一定程度时，巨大的强相互作用将把夸克拉住，使其不能脱离强子，而表现为新的强子的产生。

强相互作用性质的另一个特征是，它还显示出新的内部自由度和对称性。从自旋为2/3的重子欧米格的性质可得到些线索。这个重子是由三个奇异夸克构成的，处在空间波函数是对称的能量最低的S态。三个自旋的1/2的粒子要构成自旋为2/3的重子，其波函数也必须是自旋的对称态。这样设计自旋和空间，整个波函数是对称的。这与费米子波函数为反对称的统计性质相违背。如果粒子的统计性质是正确的，这就意味着除了空间自旋外，夸克还必须有新的内部自由度，才可能构造出反对称的重子波函数。人们假设每种夸克还有取三个值称为颜色的自由度，三种不同的颜色的全反对称态可构造出无色（这个色性质与人们通常遇到的光的颜色类似，红蓝绿混合成无色的光）的重子，而正反颜色的夸克可构造出无色的介子。

强相互作用与其他相互作用的比较，具有强度大、作用距离短和有更大的对称性等特点。强度大强度极大表现为，在四种基本的相互作用中，引力的相互作用强度最弱，在微观世界可以忽略，而强相互作用xxx。电磁相互作用的强度正比于一个称为精细结构常数的量

，式中

为电子的电荷，

为普朗克常数，

为光速。如果强相互作用也用一个与电荷

对应的量

来描述，则

约为1~10。强相互作用比电磁相互作用强10~10倍。作用距离短作用距离短表现在万有引力和电磁力两种相互作用都是长程力，而弱相互作用和强相互作用是短程力。但强相互作用的力程比弱相互作用的力程长，约为10厘米。比其他三种基本作用有更大的对称性即在强相互作用中有更多的守恒定律，除实验中还没有发现破坏的能量、动量、角动量、电荷、重子数和轻子数守恒外，强作用还有在弱作用或电磁作用中被破坏的宇称、C宇称、同位旋、奇异数守恒及粲数和底数守恒。此外，强作用还有一些近似的对称性，如SU(3)味对称和手征对称性。

目前强相互作用的研究前沿主要包括三个方面：强子结构、极端条件下的核结构和高温高密核物质。这三个领域分别占美国能源部相关方面经费的约30%，剩余部分分配给相关的交叉学科研究，如核天体物理、标准模型在核物理中的检验及核技术应用等。而关于强相互作用的相关基础理论研究则有大统一理论等。

QCD是公认的描述强相互作用的基本理论。但是由于其低能非微扰的特性(QCD耦合系数在低能区不再是小量，无法按其幂次进行微扰展开)，人们很难直接从QCD出发严格计算出夸克通过交换胶子形成强子的能谱，也无法准确地描述夸克和胶子是如何构成强子的。目前探索强子内部夸克—胶子结构的实验主要有两个基本途径：一是通过高能电磁探针与核子的深度非弹散射测量核子的夸克—胶子结构函数，二是通过高能碰撞产生强子基态和激发态，研究强子谱。得益于北京正负电子对撞机，中国的强子谱实验研究已走在国际最前列。美国物理学会主编的Physics杂志近十年来评选出的年度重要亮点成果中，强相互作用最亮的两项成果是：(1)2013年，以中国科学家为主的BESIII实验组发现了Zc(3900)四夸克态；(2)2015年，中国科学家做出突出贡献的LHCb实验组发现了两个Pc五夸克态。

传统强子与奇特强子态，QCD还允许更多夸克组分的色单态强子的存在

经典的核壳结构模型和集体运动模型成功地解释了自然界中观测到的稳定原子核的结构，但高速旋转、超级变形、反常中子质子比、超重、掺杂超子等极端条件下的不稳定原子核出现了很多新的现象和新的结构，如何在一个统一的理论框架下定量地描述所有原子核的内部结构是当前核结构物理学家面临的一个新的挑战。

QCD相图。横轴为重子化学势(可简单理解为重子或夸克的数量)，纵轴为温度

由强相互作用主导的物质状态的转变对人们理解早期宇宙的演化及中子星等致密星体的结构与性质至关重要。日常所见的物质相变本质上由电磁相互作用主导，人们可以从实验和理论中得到相应的相图。类似地，强相互作用的物质的相变也由其相图描述(图7)。强相互作用的物质包括核物质、强子气体、色超导和夸克—胶子等离子体等几种状态。目前对QCD相变的实验研究主要集中在高温低密和低温高密两个方向。

1974年，美国科学家乔治（Howard Georgi，1947-）和格拉肖(Glashow)提出了把强、弱、电三种相互作用统一在一起的SU（5）大统一理论。该理论认为：质子是不稳定的，估算出的质子寿命约为1028-2.5×1031年。大统一理论还作出预言：它可以自动得出电荷量子化，即所有电荷应是e/3的整数倍的结论。大一统理论与标准模型不同，它预测质子衰变的存在。科学家们推测，一旦证实质子真的会衰变，大约1035年以后，宇宙将成为稀薄的电子正电子等离子体。1974年，美籍澳大利亚科学家奎恩（Helen Quinn，1943-）与乔治和温伯格计算出实现强相互作用和弱电相互作用之间团聚所需的能量。之后，美国IBM公司的一个协作组在俄亥俄（Ohio）州克里弗兰市以东600多米的一个盐矿中进行实验。经试验推算，质子的寿命一定大于1.7×1032年，从而否定了SU（5）大统一理论。但是，一个由印度和日本科学家组成的实验小组，却在实验的两年内共发现6个质衰变的事例，其中3个认为是比较可靠的，并据此推算出质子的平均寿命约为7×1030年，与大统一理论相符。但这一实验结果比较粗糙，没有得到公认。质子是否衰变尚在探索之中。为了克服大统一模型的缺点，科学家们对于是否存在着更大的对称性更加关注。1973年时有人提出来一个巧妙的数学结构，称为超对称（super-symmetry）理论。按照这一理论，费米子和玻色子都填入同一线性表示中，通过规范作用可以互相转化。为了达到这一目的，理论不得不在已知的微观粒子基础上引入大量配偶粒子。超对称理论形式十分美妙，可惜这些配偶粒子至今都没有找到。

超对称理论

1976年，为了把引力也统一进来，把引力作用也理解为一种规范作用，有人提出新的对称概念，称为超引力（super-gravity）理论。1984年又有人提出了超弦（super-string）理论。超弦理论认为微观粒子不是一个点，而是一条弦，并在弦的基础上形成一套量子化方法，但由于数学上的困难，一些基本参数暂时还算不出来。弦理论预言宇宙除了三维空间外，还存在着额外维空间。20世纪90年代，有人在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜（M）理论。膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就像薄薄的一层膜。膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。

超弦（super-string）理论

核力的应用涉及核聚变与核裂变两种基本过程：太阳连同所有其他恒星，通过核聚变反应——两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量来提供动力；而核裂变，则是指把一个原子核分裂成多个原子核所释放的能量，主要应用于核能发电和核武器的生产，如原子弹、氢弹和中子弹等。

核能也称原子能，是原子核结构发生变化时释放出来的巨大能量。核能发电利用的是裂变能。以压水堆核电站为例，核燃料在反应堆中通过核裂变产生的热量加热一回路高压水，一回路水通过蒸汽发生器加热二回路水使之变为蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，发出的电通过电网送至千家万户。整个过程的能量转换是由核能转换为热能，热能转换为机械能，机械能再转换为电能。核电站可分为两部分，一是核岛，包括反应堆厂房、辅助厂房、核燃料厂房和应急柴油机厂房。二是常规岛，包括汽轮发电机厂房和海水泵房。核能发电的裂变过程涉及基本粒子的强相互作用。

核能发电基本原理

原子弹原子弹是利用原子核裂变反应释放出大量能量的原理制成的一种核武器，核装药一般为钚-239、铀-235，这些物质的原子核在热中子轰击下，分裂为两个或若干个裂片和若干个中子，同时释放出巨大的能量，新产生的中子又去轰击其它原子核，如此连续发展下去，核分裂的数量就会急剧增加，形成链式反应，仅在百分之几秒内就会出现猛烈爆炸，并放出非常大的能量，在此过程中涉及到强相互作用。日本长崎是xxx个遭受原子弹灾难的城市。

原子弹引爆

氢弹氢弹，是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量的原理制成的核武器。因为这种核聚变反应是在超高温高压条件下进行的，且单位质量所释放出来的能量一般为核裂变反应的4倍以上，能产生更大的破坏作用，通常又称这种聚变反应为热核反应。又因为原子核越轻，所带电荷越少，产生聚变反应所需的能量也越低。因此，一般都用氢的同位素氘、氚和氘化锂等物质作为核装药，故将这种核武器称为氢弹。聚变过程涉及基本粒子的强相互作用。人类历史上xxx次试验的氢弹是1952年11月1日美国爆炸的“常春藤麦克”。

常春藤麦克的蘑菇云

中子弹中子弹是一种利用核材料聚变反应放出巨大能量的原理制成的核武器，因此又被称为特殊的氢弹。由于它是利用轻核聚变时产生的大量高能中子进行杀伤破坏的一种小型核武器，故又被称为以高能中子辐射为主要杀伤力的小型氢弹。中子弹主要核装药是氘和氚的混合物，是目前世界上xxx已实现生产和部署的一种第三代核武器。聚变过程涉及基本粒子的强相互作用。

美国W79型中子弹示意图