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强相互作用的研究进展

2007年2月16日，在旧金山举行的美国科学促进会的新闻发布会上，1976年诺贝尔物理学奖得主之一伯顿·里克特，说了这样一段话：“近百年来，物理学家探究物质基本构成的方法，本质上并没有改变，那就是用加速器使粒子束获得极高的速度和能量，用来轰击原子核或基本粒子，观察撞击产生的“碎片”.但随着研究的深入，撞击所需要的能量增加了许多个数量级，建造加速器的费用也增加了许多个数量级.在实验室里用几块金属板拼装出一个加速器就可以使用的时代早已过去，现在的加速器动辄需要上亿甚至几十亿美元，超出了一所实验室乃至一个国家的能力范围.许多加速器因为经费问题而关闭或即将关闭，当前世界最强大的加速器——美国费米实验室的对撞机也不能幸免，即将在2009年关闭”.当前，原子核物理的发展进入了一个令人瞩目的新阶段.由于大型实验装置的兴建和巨大发展，人们已经或即将把正常状态的原子核推向极端条件，如：高速旋转（转动频率高达10²⁰Hz）、超形变（长短轴比达2：1）甚至巨形变（长短轴比达3：1）、奇异形状（梨形、香蕉形等）、反常中子质子比（轻晕核、如¹¹Li、已达8：3）、常温低密（如晕核等）、常温高密（如核天体等）、高温高密（高能核核碰撞产生的核物质、核天体等）、乃至新的物质形态—夸克胶子等离子体.这些新的运动模式和状态下的原子核的发现既对传统的量子核多体理论提出了严重挑战，同时也密切了与其他学科（如：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、等）的关系.这些极端条件下原子核状态的发现对核物理研究不仅产生了巨大的冲击，也提出了严重的挑战，并提供了重大机遇，成为当前原子核物理发展的主攻方向.通过对这些极端条件下原子核的研究，可以深化原子核理论的基础知识的认识，并了解极端条件下强相互作用物质的形态、性质及相用机理，发展新的量子多体理论.同时，该方面的研究也有可能对国民经济及国防建设产生重大影响，例如：利用稳定的超形变核态到正常形变核态的退激制造核X射线激光可以使激光器的能量增益成数倍提高.

强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离最短的（大约在10^-15～10^-10m范围内）.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.现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关.它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起.一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力.它只能与自身以及与夸克相互作用.强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体.由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克.反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起（红＋绿＋蓝＝白）.这样的三胞胎构成了质子或中子.其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）.这样的结合构成称为介子的粒子.介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子.类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子.相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的.这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子.

强相互作用的理论是量子色动力学(QCD).带电粒子之间有电磁相互作用，带色荷的粒子之间有强相互作用.两个中性原子之间没有相互作用，靠近电子云重叠出现作用力称为范德瓦尔斯力，出现强相互作用强子之间的力程都很短.

强相互作用与电磁作用不同的是，它有不止一种电荷（叫色荷）.电磁作用只有一种电荷，当然这一种电荷可以是正，也可以是负；同号相斥；异号相吸.对于强作用，除了同一种“色荷”可以有正负外，还可以有其他种色荷，量子场论关于强相互作用的研究还处于非常初级的阶段，量子色动力学面临的困难，以及各种大统一理论和超统一理论的失败，使我们目前还无法真正确认强相互作用的物理本质.为了解释原子核中稳定的构造，物理学家认为在强子间又存在着一种既不是电磁力，也不是万有引力的强相互作用——核力，并对这种作用提出了种种设想，其中交换力是得到较多认可的.交换力是由于交换中介粒子而在基本粒子之间产生的作用力.设想两个人争夺一个球，那么其结果相当于它们之间产生一种引力.如若他们相互掷抛这个球，则相当于它们之间产生一种斥力.在核子之间相互争夺的这个球就是π介子.现代物理学认为强相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，这显然存在着不协调性，而且与宇宙全息统一论的思想不一致.现代物理学认为，核力用一个标量场来描述，这标量场满足真空中的波动方程.按照量子场论的普遍原理，场论不可避免地是和粒子或量子相伴随的，后者的质量为μ=kh/c，其自旋为0，服从玻色——爱因斯坦统计法.传递电磁作用的是光子，是自旋为1的零质量的向量粒子，而传递强相互作用的π介子，却是自旋为0的非零质量赝标粒子.如果用快速α粒子来轰击重核，α粒子可以进入核内形成复核，说明α粒子和原子核接近到一定距离时，除电磁斥力外，还有吸引力的存在，它随距离的变化比Coulom力快的多.核子间的作用力也是一种交换力，中间的交换媒介为π介子.现代物理学认为核力与核子的取向有关.

量子力学的有效范围是高能领域，一般来说微观物理是高能范围，所以量子力学适用于微观领域.从数学上可以知道，在最低能级层面，无论是强力、弱力还是电磁力，带同种性质的力荷的粒子之间都是排斥力，而带不同性质力荷的粒子之间是吸引力.这是数学上的必然结果.随着能量的增高，各种量子修正都会逐渐变得越来越重要，强力是吸引的，弱力是排斥的，是一种近似说法.王令隽是从中国科学院理论物理研究所在1979年派往美国的留学生，以后长期在田纳西大学物理系当教授，他说：将核力分为弱相互作用和强相互作用两个基本相互作用力是错误的.中子不是“夸克”的组合，最基本的粒子是质子和电子.