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强相互作用的提出过程回顾

强核力.各种元素及其同位素构成的原子核，均由不同数量的质子和中子聚合而成.科学界计算或探测出质子，中子，电子，正电子的参考数据如下：

质子：质量1.6726210^-27kg，半径 （0.84-1.5）^-15m ，电量+e=1.6^-19C

中子：质量1.67492^-27kg，半径0.84^-15m，电量  0

电子：质量9.10939^-31kg，半径（1.4-2.8）10^-15m ，电量 -e=-1.610^-19C

正电子视为电子的反粒子，质量，半径，电量与电子相同，电荷极性相反.

关于原子核的内部结构，自从1918年卢瑟福发现质子开始，到2016年3月，中国科学院上海光机所强场激光物理国家实验室，利用超强激光与氩气相互作用，成功分离出电子流和正电子流为止，经过九十八年的艰苦探索，科学界开始直观的看到：电子和正电子才是质子和中子内部的主要的稳定的组成部分.科技发展常常折弄人，为了敲开原子核，科学家把大型加速器的对撞能量从MeV级提升到GeV级再到TeV级.

粒子结构理论既是粒子物理的基础理论，又是粒子物理的前沿课题.由于它讲的是物质的基本组成，所以这个理论正确与否，对粒子物理及许多相关学科的发展有极大的影响.所谓粒子结构理论都包含有两部分内容：一是确定现已发现的全部粒子（习惯上通称基本粒子）中，哪些是基本粒子，哪些是复合粒子.二是说明这些基本粒子如何组成复合粒子的.

1935年，汤川秀树提出“介子论”，对质子和中子的结合做了很圆满的解释.汤川秀树假设质子和质子间，质子和中子间，中子和中子间，都另有一种交互吸引的作用力，在近距离时远比电荷间的库仑作用力为强，但在稍大距离时即减弱为零（为了解释从氘核到氦核（α粒子）结合能迅速增加的事实，他和维格纳一起认识到，核力的力程一定很短），这种新作用称为核子作用或强作用，它是由于交换一种粒子称为介子而生的交互作用.他说，质子(为费米子)和中子会扭曲周围的空间(核力场)，为了抵消此一扭曲，遂产生了虚介子(介子为玻色子)，藉着介子的交换，质子和中子才能结合在一起.结合相对论和量子理论以质子和中子间新粒子的交换(介子叫“π介子”)描述原子核的交互作用，汤川秀树推测粒子的质量(介子)大约是电子质量的200倍，这是原子核力介子理论的开端.质量为电子200倍的粒子在宇宙射线中被发现，那时物理学家最先想到的是，它就是汤川秀树的π介子，后来才发现它是μ介子.

物理学家把质子（Ｐ）、中子（Ｎ），π介子，Ｋ介子等一类参与强相互作用的粒子叫强子；把像电子、μ子等一类只参与弱相互作用、电磁相互作用而不参与强相互作用的粒子叫做轻子.那些和质子差不多重的粒子叫重子；而重得多的粒子则叫超子.如Λ超子、Σ超子等；质量介于重子和轻子之间的粒子称介子，但现在看来这种分法有点过时了，如τ轻子的质量达3477.4m_e.

在大阪大学工作不久，在1935年汤川秀树提出介子学说，以“基本粒子的相互作用”为题，发表了介子场论文.当时量子电动力学正处于初始阶段，人们已逐渐认识到，电磁相互作用可以看作是在荷电粒子之间交换光子，光子是电磁场的“量子”，它以光速运动.参照这一理论，汤川把核力设想为带有势函数U（x，y，z，t）的特定场中的相互作用，这种场导致所谓U量子，U量子是核强相互作用时交换的粒子，其静质量约为电子的200倍（后来命名为“介子”），即质子和中子通过交换介子而相互转化（《论基本粒子的相互作用》）.

　　他预言，作为核力及β衰变的媒介存在有新粒子即介子，还提出了核力场的方程和核力的势，即汤川势的表达式.按照这一理论，质子和中子通过介子可以带正、负电荷或者是中性的，一个介子可以转化为一个电子和不带电的轻子（即中微子）.交换介子而互相转化，核力是一种交换介子的相互作用.1937年C.D.安德森等在宇宙线中发现新的带电粒子（后被认定为μ子）之后，经C.F.鲍威尔等人的研究，于1947年在宇宙射线中发现了另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，被命名为π介子.由于在核力理论的基础上预言介子的存在.汤川秀树和坂田昌一等人在1937年展开了介子场理论的研究.1947年提出了非定域场理论，试图解决场的发散问题.在1953年9月在京都召开的国际理论物理学会上，汤川秀树发表了非定域场的统一理论.

早在20世纪50年代末，费米和杨振宁曾把π介子看成是正、反核子对组成的复合粒子（费米——杨模型）.后来坂田认为质子，中子和Λ超子以及它们的反粒子是基本粒子，其他强子都是由这些基本粒子组成的（坂田模型）.这两个模型都很粗糙.1964年美国科学家盖尔曼提出《夸克模型》：几百种强子皆是由少数几种夸克组成的.介子由一对正、反夸克组成，重子由三个夸克组成.这个模型大有进步，它可以解释重子、介子的自旋、电荷特征.但仍有许多问题无法解释，其中最著名的是e-μ之谜，盖尔曼把它列为粒子物理中的头号大难题.

由于盖尔曼1961年提出的粒子周期表成功预见了Ω-新粒子的存在，使他荣获了1969年诺贝尔物理学奖，因为他把获奖原因说成是他提出了《夸克模型》，使人们误认为《夸克模型》已被实验证实，从而对它的正确性深信不疑.然而实际情况是：《夸克模型》一提出，实验科学家就一直在寻找这个模型中的基本粒子夸克，可是至今没有找到.

1973年维尔切克，格罗斯，波利策三位物理学家用完美的数学公式提出了一种新理论.乍一看，他们的理论是完全矛盾的，因为对他们的数学结果的解释表明，夸克间的距离越近，强作用力越弱.当夸克间彼此非常接近时，强作用力是如此之弱，以至它们的行为完全就像自由粒子.物理学家们将这种现象称为“渐近自由”，即渐近不缚性.反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时，强作用力就越强.这种特性可用橡皮带的性质来比喻，即橡皮带拉得越长，作用力就越强.渐近自由理论解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离.这一发现导致了一个全新的理论——量子色动力学的诞生.这一理论对标准模型有着重要的贡献.标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象，但它并没有包括重力.在量子色动力学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子.量子场论中已经指出：在弱作用去耦前，引力和电磁力是统一的，弱作用去耦后二者才分离.另外，电子的质量主要是耦合成电子的色胶子间的强相互作用导致的，电磁相互作用倒是次要的.

量子色动力学是关于强相互作用的规范场理论，这种强相互作用是夸克和胶子之间以及胶子之间的作用.夸克和胶子带有分数电荷，自旋分别为1／2和1.由夸克模型可知重子是有三个夸克组成，这三个夸克处于不同的状态.人们借用光学上的色规定三个不同的夸克代表三个不同的颜色，夸克内部存在一种新的自由度，夸克分处于该自由度的不同状态，而重子作为整体并不显示这种内部自由度的性质.这与颜色的情形十分相似，红、蓝、绿三原色组合成无色.量子电动力学是关于电磁相互作用的理论；而量子色动力学是关于强相互作用的理论.这两种相互作用的理论使场论发展完善起来.量子色动力学得到一些实验的支持，它能够说明轻子对强子深度非弹性散射的异常现象、喷注现象以及夸克的色禁闭问题.