強相互作用
| 粒子物理學標準模型 |
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強相互作用（又稱強力或強核力）是作用於強子之間的力，是已知四種基本作用力中最強的，也是作用距離第二短的（大約在 10-15 m 範圍內[1]，比弱相互作用的範圍大）。另外三種相互作用分別是重力、電磁力及弱相互作用。核子間的核力就是強相互作用。它抵抗了質子之間的強大的電磁力，維持了原子核的穩定。強相互作用也將夸克基本粒子結合成為質子及中子等強子，這也是組成大部份物質的粒子。而且一般質子或中子裏，大部份的質能是以強相互作用場能量的形式存在，夸克只提供了1%的質能。
強相互作用可以在二個地方看到：較大的尺度（約1至3飛米）下，強相互作用將質子及中子結合成為原子的原子核，較小的尺度（約0.8飛米，約為核子的尺寸）下，強相互作用將夸克結合，成為質子、中子或其他強子。強相互作用的作用力非常強，大到束縛一個夸克的能量可以轉換為新的夸克對的質量，強相互作用的這個性質稱為夸克禁閉。
強相互作用是唯一強度不會隨距離減小的作用力，但因為夸克禁閉，夸克會限制和其他夸克在一起，形成的強子之間會有殘留的強相互作用，也稱為核力，核力會隨距離而迅速減少。撞擊原子核釋放的部份束縛能和產生的核力有關，而核力也用在核能及核聚變式的核武器中[2][3]。
強相互作用一般認為是由膠子傳遞的[4]，膠子會在夸克、反夸克及其他膠子之間交換。膠子會帶有色荷，色荷和人眼可見的顏色完全沒有關係[5]，色荷類似電荷，但色荷有六種（紅、綠、藍、反紅、反綠、反藍），因此會形成不同的力，有不同的規則，在量子色動力學（QCD）中有描述，這也是夸克-膠子相互作用的基礎。吳秀蘭等科學家對膠子發現有很大貢獻，因此在1995年獲得了歐洲物理學會髙能和粒子物理獎[6]。
在大爆炸後，電弱時期時，電弱相互作用和強相互作用分離，統一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統一理論已經獲得實驗證實。科學家進一步預期有一個大統一理論可以統一電弱相互作用及強相互作用[7]，現今有許多是大統一理論的理論，第一個是哈沃德·喬吉和謝爾登·格拉肖於1974年提出了最早的SU(5)大一統理論，但和實驗不合，其他的理論有SO(10)模型、喬吉-格拉肖模型，但還沒有一個是廣為科學家接受，且有實驗證實的理論[8]，而且許多大統一理論都預言質子衰變，但目前也還沒有實驗支持，大統一理論也還是未解決的物理學問題之一。
概念
[編輯]強相互作用比其他三種基本作用有更大的對稱性，也就是說，在強相互作用中有更多的守恆定律。強相互作用不像重力和電磁相互作用那樣是長程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程長，約為10-15 m 。大約等於原子核中核子間的距離。
對強相互作用本質的瞭解長期以來是物理學中的難題。人們曾經提出過許多強相互作用的理論，它們取得的成就都很有限。原因之一是理論中沒有小參量，因而找不到可靠的近似方法。人們由強子的夸克模型和規範場的概念出發提出量子色動力學。在這個理論中，強相互作用是組成強子的夸克之間通過一些稱為膠子的規範粒子場傳遞的作用。這個理論有在小距離處作用變弱的性質。它被認為是有希望的強相互作用基本理論。
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。由於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。
為了解釋原子核中的質子沒有因電磁力互相排斥，反而聚集在一起，科學家開始假設有一種較強的吸引力的存在，這種假想的作用力稱為「強作用力」，科學家認為是在質子和中子等核子之間的基本作用力。
後來發現質子和中子都不是基本粒子，都是由更小的夸克粒子所組成。最基本作用力是將夸克束縛在質子和中子中的作用力，核子之間的強作用力其實是上述作用力的副作用。量子色動力學解釋夸克具有一種稱為色荷的性質[9]，帶有不同色荷的夸克因着強相互作用會互相吸引，其中的介質是一種稱為膠子的粒子。
細節
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強相互作用的「強」字，表示若在幾個飛米或是更短的距離內，強相互作用的強度比其他三種基本作用力都強：其強度約電磁力的136.82倍、弱相互作用的106倍、重力的1039倍[10]。
強相互作用的特性
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量子色動力學（QCD）是現代對強相互作用的描述，是粒子物理學中標準模型的一部份。在數學上，量子色動力學是非阿貝爾群的規範場論，以稱為SU(3)的空間對稱群為其基礎。
基本粒子中，只有夸克及膠子會帶着不會消失的色荷，因此基本粒子中也只有這兩種會參與強相互作用，其作用的強度是依強相互作用耦合常數來決定，強度會被粒子的色荷所調整，這是群論中的性質。
強相互作用和其他基本作用力不同，隨着距離的增加，強相互作用的強度不會降低。在超過一定距離（約強子的大小）後，即使夸克之間距離多遠，其強度仍有約10,000牛頓[11]。在量子色動力學中這稱為夸克禁閉[12]，因此只觀察到由夸克組合成的強子，無法觀察到單獨存在的夸克。其解釋是10,000牛頓的力（約是在地球表面一噸物質的重量），所作的功在短距離的作用下就可以足以產生夸克-反夸克對。簡單來說，拉住二個夸克的力產生了一對新的夸克，這二個新的夸克和分別和原來的夸克形成夸克對。所有實驗都無法找到自由夸克的結果也可以證實這種觀點。
基本夸克和膠子粒子的作用無法直接觀測到，不過可以由粒子加速器中，當能量衝擊夸克-夸克鍵結，或當質子中的夸克被另一個（在中子中）高速的夸克撞擊時，產生的強子得知。
任一個夸克和宇宙中大多數夸克的作用力都不會像以上所述，強度不隨距離而減少，原因是因為夸克禁閉的影響，在一段距離以外只能看到成群的夸克，而成群夸克（即強子）的色荷會互相抵消，因此和幾乎沒有色荷相同。而強子和強子之間幾乎沒有強相互作用，但因為色荷的相消並不完全，會有殘餘的強相互作用，稱為殘餘強相互作用，而殘餘強相互作用會隨着距離而減少，因此在一定距離以外，其作用效果類似「無色荷」的重子，因此稱為「強核力」也稱為核力。
殘留強作用力
[編輯]殘留強作用力的效果稱為核力，核力會在強子之間作用，例如介子或原子核中的核子。殘留強作用力會傳遞膠子，形成π介子及ρ介子的介子，這些介子會在核子之間傳遞核力。
殘留強作用力是將夸克束縛為質子及中子強作用力的殘留量，因為質子和中子幾乎是無色荷的，因此其作用力比束縛夸克的作用力小很多，就像中性原子之間的電磁力（范德華力）也比原子核和電子之間的電磁力小很多[13]。
殘留強作用力和強作用力本身不同，強作用力不會隨距離增加而變小，但殘留強作用力會隨距離的增加而快速減小。其減小的趨勢接近距離的負指數，不過沒有簡單的表示式（參照湯川勢）。因為上述事實，再加上質子之間的排斥力隨距離不會那麼快下降，造成了原子序數大於82（鉛）所有原子核的不穩定[14]。
相關條目
[編輯]文獻
[編輯]- ^ 鄭嘉武; 鄧天德. 自然科學論集. 中國文化大學出版部. 1981.
- ^ on Binding energy: see Binding Energy, Mass Defect （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Furry Elephant physics educational site, retr 2012 7 1
- ^ on Binding energy: see Chapter 4 NUCLEAR PROCESSES, THE STRONG FORCE （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 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. 泛科學. [2015-03-25]. （原始內容存檔於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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- ^ 一鴻·徐. 膨脹的宇宙 愛因斯坦的玩具. 五南圖書出版股份有限公司. 2006: 150–. ISBN 978-957-11-4195-4.
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延伸閱讀
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