强相互作用

强相互作用

这里暂且不谈轻子，那么重子是怎么一回事呢？组成原子核的粒子又是怎么一回事呢？自从发现了中子，并提出核的质子—中子结构以后，这些问题都代表着一个重要问题。这一问题可以归结为下面这个难题：“是什么使核聚合在一起的？”

到1935年为止，人们只知道两种可以使物体聚合在一起的相互作用：引力相互作用和电磁相互作用。其中引力相互作用十分微弱，因此在亚原子物理领域里，可以将它完全忽略。只有在积聚成巨大的质量时，它才能被切实感受到。引力相互作用对于卫星、行星、恒星及星系级的物体来说是十分重要的。但是，在涉及原子、亚原子粒子领域时，则一点也不重要。

这样，就只剩下电磁相互作用了。正电荷和负电荷之间的电磁吸引力足以解释晶体中的分子是如何聚合在一起，分子中的原子如何聚合在一起，以及原子中的电子和核如何相互聚合。但是，当科学家沿着这个思路探索到原子核时，他们就遇到了一个问题。

只要他们认为原子核是由质子和电子组成的，似乎就没有什么问题。质子和电子之间互相有力地吸引着；事实上，吸引力越强，它们就靠得越近。在原子核中，质子和电子几乎相互接触，质子与质子之间也几乎相互接触，电子也同样如此。两个带同种电荷的物体间的排斥力与两个带相反电荷的物体间的吸引力，其强度是相同的。

在原子核中，也许可以认为质子之间会相互排斥，电子之间也会相互排斥。但是，它们也可能会相互交织并以某种形式排列，使得吸引力比排斥力更有效。在晶体中就是如此。晶体通常是由正离子和负离子组成的混合物，由于这两种相反电荷具有特定的分布形式，使吸引力压倒了排斥力，因而晶体能结合在一起。简而言之，原子核中的电子就像是质子的黏合剂，反之亦然。在这两种黏合剂的作用下，原子核结合在了一起。

但是，根据核的自旋特性以及角动量守恒的必要性，使人们对核结构的质子—电子理论的正确性产生了极大怀疑。随着中子的发现，显然有必要设定一种质子—中子结构，以解决由质子—电子结构理论带来的所有难题——除了一点。黏合剂已经不需要存在了。

如果我们只考虑电磁相互作用，那么质子—中子结构的核中唯一能被感觉到的力便是每个质子与其他所有质子间极强的斥力。也就是说，不带电的中子既不吸引质子也不排斥质子，只是一个“无所作为的旁观者”。质子与质子间强大的排斥力足以使原子核在瞬间爆炸成单个的质子。

然而，这种现象并没有出现。原子核依然平静而又稳定地呆在各自的位置上，丝毫没有发生毁灭性的质子间相互排斥的迹象。即使是那些放射性核，也是以很有限的方式发生爆炸的，使一个质子变成一个中子，或者放出一个含2个质子和2个中子的α粒子，或是在极端情况下分成两半。所有这一切都发生得相对较慢，有时甚至非常缓慢。从来没有任何一个核会在瞬间爆炸成一个个单独的质子。

由此，我们自然而然地得出这样一个结论：除了引力相互作用和电磁相互作用外，还存在着另一种相互作用——一种人们尚未想到也尚未研究过的相互作用——正是这种相互作用把核聚合在一起。它也许该叫做核相互作用。

无论核相互作用是什么，它必定会产生很强的吸引力——一种比不同质子所带的正电荷产生的排斥力强得多的吸引力。事实上，最终结果表明，核相互作用产生的吸引力比电磁相互作用产生的力强100倍以上。这也是目前已知的存在于亚原子粒子间最强的相互作用力（也是人们认为能够存在的最强的相互作用力)。因此，人们通常把它叫做强相互作用。但是，什么是强相互作用？它是如何起作用的呢？

第一个考虑到强相互作用的人是海森伯，他于1932年首先提出了核的质子—中子结构。当一位科学家提出了一个惊人的观点，这一观点可以解决许多问题，但其中还有一个漏洞，这时他必定会尽他自己最大的努力去填补这一漏洞。毕竟，这是他自己心爱的“宠儿”。

海森伯逐步形成了交换力的概念。这种概念在创建量子力学之前，用经典物理学是无法处理或理解的。然而，如果运用量子力学，那么，交换力看起来就是可行的，并且是有效的。

为了不用数学来解释这一概念，我们可以设想质子和中子之间在不断地交换着某些东西。让我们假设它们交换的是电荷（正如海森伯首先提出的那样)。这就是说，核内的正电荷被不断地由带正电荷的粒子转移给不带正电荷的粒子。也就是说，每个重子都有两种状态，它可以是一个质子，也可以是一个中子，并以极快的速度交替变换着。因此，没有一个质子会受到排斥，因为它还没有来得及对排斥力作出反应就已经变成中子了。（这就好像一只热得发烫的马铃薯在两只手之间被迅速地扔来扔去，以免将手烫伤。)

这种交换力会形成一股强大的吸引力，把核聚合在一起；但遗憾的是进一步的检验证明，海森伯的观点不够充分。此后，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa，1907—1981)开始着手进行这项研究工作。在他看来，如果交换力对核内的强相互作用有效，那么它必定对所有相互作用都有效。当他将量子力学应用于电磁相互作用时，他发现，被交换的是一种特殊的粒子——光子。正是在任何两个带电粒子之间进行的极快的、持续不断的光子交换，产生了电磁相互作用。在带有同种电荷的粒子之间，交换会产生排斥力，而在带有相反电荷的粒子之间，则产生吸引力。

在任何两个具有质量的粒子之间，同样有着快速的引力子交换。（引力子从未被探测到过，因为它的能量实在太微弱了，我们还未研究出足够灵敏的仪器来证明这种粒子的存在；但是，没有一个物理学家怀疑它的存在。)由于质量似乎只有一种类型，因此，引力相互作用只能产生吸引力。

因此，在核内必然存在着另一种交换粒子，这种粒子在核内的质子和中子之间不断地冲撞。必须指出，电磁相互作用和引力相互作用都是长程效应，它们的强度只随距离的增大而缓慢地下降。电磁效应既有吸引力又有排斥力，这是毋庸置疑的；但是就引力而言，我们可以清楚地看到，它主要应用于质量很大的情况，而且只有吸引力。地球与月球之间尽管相距将近400 000千米（约237 000英里)，但地球仍能牢牢地吸引住月球。同样，太阳能在相隔1.5亿千米（约9 300万英里)的远处将地球牢牢地吸引住。星系中的恒星和星系团中的星系之间，尽管相距超过几千、甚至几百万光年，但它们仍能聚合在一起。

然而，强相互作用的强度随距离增加而减弱的速率比引力相互作用或电磁相互作用要大得多。对后两种相互作用而言，当距离增大到2倍时，其强度将减弱为原来的1/4；对于强相互作用，当距离增大到2倍时，其强度则会减弱到原来的1%以下。这就意味着强相互作用的力程确实非常短，通常都不能被感觉到，除非在紧挨粒子的地方才能产生这种相互作用。

事实上，强相互作用的有效力程大约只有10^-11厘米，约为一个原子宽度的1/100 000。因此，要使质子和中子能感受到强相互作用的吸引力效应，唯一的途径就是使它们保持紧密接触。这也就是原子核会这么小的原因。它们只能大到强作用力的作用范围之内。事实上，目前已知的最大的原子核已大到强相互作用很难达到的距离，因此，这些核会有裂变的趋势。

正是由于这种力程的差别，引力相互作用和电磁相互作用成了人类日常经验的一部分。人类在其智慧发展的启蒙时期，就已经知道了前者的存在，而后者一直到古希腊时代才为人们所知。然而，只在原子核范围内才有效的强相互作用，在人们发现原子核并了解原子核的结构之前，也就是在20世纪30年代之前，是不可能被体验到的。

但为什么会有这种作用范围的差别呢？在汤川秀树看来，从量子力学的角度考虑，长程相互作用需要无质量地交换粒子。而光子和引力子都是没有质量的，它们所具有的电磁力和万有引力都是长程作用力。而强相互作用则需要具有质量的交换粒子，因为它们的作用范围非常小。事实上，汤川秀树计算得出的交换粒子的质量大约是电子的200倍。

当时，人们已知的粒子没有一种的质量在这个范围内，这使得汤川秀树觉得他的理论是错的而感到十分苦闷，但不管怎么说，他还是在1935年发表了这一理论。然而，几乎就在同时，安德森发现了μ子，而这种粒子的质量刚好在汤川秀树预言的强相互作用交换粒子的质量范围内。自然，人们都认为已经找到了交换粒子，对汤川理论的兴趣也骤然上升。

然而，人们对此的兴趣很快又消退了，因为μ子并没有呈现出与质子和中子发生相互作用的趋势，因而它不可能是交换粒子。实际上，它根本不受强相互作用的影响。这也是把它归类为轻子的主要原因，因为没有一种轻子会受到强相互作用。事实上，一旦μ子被认为只是一种重电子后，人们就意识到它不再可能是交换粒子了，而只是电子而已。

失望是不会永远持续下去的。当时英国物理学家鲍威尔（Cecil Frank Powell，1903—1969)正在研究宇宙线撞击大气层原子和分子时所产生的效应。为了达到这一目的，他也像安德森那样登上了高山。在玻利维亚的安第斯山，他登上海拔足够高的地方，那里的宇宙线强度（来自外层空间的宇宙线未被最低层的地球大气层所吸收)是海平面处的10倍。鲍威尔用他自行设计的比安德森的仪器更灵敏的专用仪器进行探测，于1947年测得了中等质量粒子的曲线轨迹。

根据这种新粒子的曲线轨迹可以判定，它的质量约为电子的273倍（接近汤川秀树的预言)，比μ子约重1/3。这种新粒子与μ子一样不稳定，平均在大约1/400 000秒内发生蜕变。

但是，这些相似之处纯粹属于巧合，因为这两种粒子间存在着更深更基本的差别。鲍威尔发现的粒子不是轻子。它会受到强相互作用的影响，并且很容易与质子和中子发生相互作用。实际上，它正是汤川秀树预言的交换粒子。

这种新发现的粒子被叫做π介子（π是希腊字母，相当于英语字母p，我想大概是代表鲍威尔)。它是所有受强作用力影响的新一类粒子中第一个被发现的粒子，被称为介子（mesons)，这一称谓最早是给μ子的，但由于μ子经证明是轻子而被取消)。尽管π介子（pi meson)确实有权被叫做meson，但为了方便起见，英语中它经常被简称为pion。

当然，既然存在着带正电荷的π介子，其电荷与质子或正电子完全相等，那么肯定存在着带负电荷的反π介子，其电荷与反质子或电子完全相等。一个π介子蜕变为一个μ子和一个μ子型反中微子，而一个反π介子蜕变为一个反μ子和一个μ子型中微子，这样就保持了μ子数的守恒。因为μ子和μ子型反中微子的μ子数分别为＋1和-1，而反μ子和μ子型中微子的μ子数分别为-1和＋1。因此，π介子的μ子数为0，蜕变前和蜕变后的μ子数均为0。

另外，还有一种中性的π介子，它不带电荷，其质量大约只有带电π介子的29/30。它的稳定性比带电π介子更差，平均寿命只有10^-15秒，然后蜕变成两束γ射线。中性π介子像光子和引力子一样，是少数没有反粒子的粒子中的一种；或者从另一角度看，它本身就是自己的反粒子。

顺便说一下，介子的自旋为0，因此它们不是费米子，也不存在介子数守恒定律。介子可以随意出现和消失。

汤川秀树和鲍威尔由于发现了强相互作用而分别获得了1949年和1950年的诺贝尔奖。