Силно взаимодействие — фундаментална сила: кварки, глуони и квантова хромодинамика
Силното взаимодействие или силната ядрена сила е една от четирите фундаментални сили във физиката. Тя е основната сила, която определя структурата и поведението на веществото на ниво кварки и адрони и стои в основата на свойствата на атомните ядра.
Другите фундаментални сили са електромагнетизмът, слабото взаимодействие и гравитацията. Наричат се фундаментални, защото физиците нямат по-прост начин да разберат какво правят силите и как го правят—те са описвани от основни полеви теории и константи, които не се извеждат от по-прости взаимодействия.
Роля в материята и скала на действие
Силната ядрена сила държи заедно най-обикновената материя по два свързани начина: първо, тя свързва кварките вътре в адроните (като протони и неутрони), и второ, чрез остатъчното си действие държи заедно самите адрони в атомното ядро. Това е причината ядрата да съществуват и да са стабилни в много случаи.
Силата е най-мощната от четирите фундаментални: многократно по-силна от гравитацията (приблизително 1038 пъти по-силна в сравнение с гравитацията между два протона). Но тя действа само на много малки разстояния — от порядъка на няколко фемтометра (1 fm = 10−15 м). На по-големи разстояния ефектите ѝ спадат и преобладават други взаимодействия.
Цветна сила и ядрена (остатъчна) сила
Учените често разглеждат двата начина, по които силното взаимодействие действа, като отделни прояви: цветната сила и ядрената сила. На много малки разстояния (≈0,8 fm и по-малко) цветната сила държи заедно субатомни частици като протони и неутрони, т.е. свързва кварките в техните вътрешни структури. При разстояния от около 1–3 fm оставащото (остатъчното) силно взаимодействие между адроните е това, което свързва протоните и неутроните в атомното ядро, затова често се нарича ядрена сила.
Тази остатъчна сила може да се разбира като аналог на начина, по който молекулите се свързват чрез електромагнитни взаимодействия, въпреки че основната сила е електромагнетизмът — по същия начин цветната сила е основната, а ядрената е нейн остатъчен ефект в рамките на ядрата.
Кварки, глуони и цветен заряд
Често се казва, че силното взаимодействие е резултат от действието на глуоните, които „слепват“ кварките. Глуоните могат да се разменят между кварки, антикварки и други глуони. За всички тези частици се казва, че носят цветен заряд — свойство, подобно на електрическия заряд, но с ключови разлики: има три „цвята“ за кварките (понякога условно наричани червен, зелен, син) и съответни антицветове за антикварките.
За разлика от фотоните в електродинамиката, които не носят електрически заряд, глуоните носят самите те цветен заряд и могат да се саморазменят и взаимодействат помежду си. Това води до сложна, самоусилваща се динамика на полето и ена характеристика на нелинейността на теорията.
Квантова хромодинамика (QCD)
Според теорията на квантовата хромодинамика (QCD) силната сила действа между кварките и глуоните. QCD е квантовата полева теория с неабелиевата симетрия SU(3), която описва взаимодействието на трите цветни заряда и предсказва съществуването на осем вида глуони. Тази теория дава количествени предсказания за спектри на адрони, разпадни ширини и реакции при високи енергии.
QCD обяснява ключови явления като:
- Асимптотична свобода — на много високи енергии или много малки разстояния взаимодействието става все по-слабо и кварките се държат почти като свободни частици (откритие, за което Дейвид Грос, Фрнсис Полицер и Дейвид Уилчек получиха Нобелова награда през 2004 г.).
- Ограничаване (конфайнмънт) — на по-големи разстояния силата нараства и не позволявя на свободни кварки да съществуват; при опит за отделяне енергията води до образуване на нови адрони (хадронизация).
От къде идва масата на нуклоните
По-голямата част от наблюдаемата маса на протона и неутрона не идва от масите на самите кварки, а от енергията на полевите взаимодействия и движението им в рамките на адроните — тоест от QCD-биндинга и динамиката на глуоните. Това е важна причина защо масата на видимата материя в Вселената е свързана с силното взаимодействие.
Ядрена сила и мезонен обмен
Остатъчната ядрена сила между нуклоните често се моделира като обмен на мезони (напр. пи-мезони) между протони и неутрони — идеята, предложена от Якува. Този обмен води до ефективен потенциал с краен обхват (приблизително няколко fm), който обяснява привличането и отблъскването между нуклоните в зависимост от разстоянието и спиновите им състояния.
Експериментални доказателства и приложими области
QCD и силното взаимодействие са потвърдени в множество експерименти:
- Дълбоко нееластично разсейване (deep inelastic scattering) показа, че в протона има точкови съставни частици — кварки и глуони.
- Ускорителите на частици наблюдават „струи“ (jets), които се формират при високоенергийни сблъсъци при хадронизацията на отделени кварки и глуони.
- Високотемпературни и високо-плътностни експерименти (напр. в RHIC и LHC) създават състояние на вещество, известно като кварк-глуонна плазма, при което кварките и глуоните се делокализират временно.
- Латис емпирични изчисления (lattice QCD) позволяват числено изследване на свойствата на QCD в невъздържаната (non-perturbative) област и дават резултати за масите на адроните и други наблюдаеми величини.
Практически и теоретични последици
Силното взаимодействие е от ключово значение не само за фундаменталната физика, но и за разбиране на ядрена енергия, нуклеосинтеза в звездите и еволюцията на Вселената след Големия взрив. Теоретичното изследване на QCD продължава да бъде активно поле: въпроси като точния механизъм на конфайнмънта, динамиката при високи плътности и връзките с по-широки теории на взаимодействията остават предмет на изследване.
Силата на силното взаимодействие е причината да не можем да открием свободни кварки. Теорията е, че за отделянето на един кварк би била необходима толкова много енергия, че вместо това биха се създали нови адрони — явление, наблюдавано в ускорителите на частици и в експериментите с високи енергии.
Цветна силна сила
Цветната силна сила е силното взаимодействие между трите кварка, от които е изграден протонът или неутронът. Нарича се цветна силна сила, защото подобно на електромагнитната сила, силната сила има заряди. Електромагнитната сила има само един вид заряд, който може да бъде положителен или отрицателен (магнитните заряди са просто бавно движещи се електрически заряди), но силната сила има три вида. Тези три вида заряди са наречени на цветовете: червен, син и зелен. Те имат и антицветове: античервен, антисин и антизелен. Подобно на положителните и отрицателните заряди на електромагнитната сила, различните цветове се привличат, а еднаквите цветове се отблъскват. Някои частици, които имат цветен заряд, са кварки и антикварки. Видът на кварка изобщо не е свързан с цветовия заряд на този кварк. Кварките са едни от най-малките известни в момента частици. Те не заемат място, тъй като са точки, и са единствените частици, които все още не сме успели да разглобим от други частици. Това е така, защото естеството на силната сила между частиците е такова, че тя става толкова по-силна, колкото по-далеч са частиците. Силовият носител на силната сила се нарича глюон. Глюоните имат и цветен заряд. Както кварките, така и глюоните имат свойства, които ги правят уникални спрямо другите частици, както е описано в Стандартния модел.
· 
Трите цвята на кварка (червен, зелен, син). Те се комбинират, за да бъдат бели или безцветни
· 
Трите антицвята на кварка (античервен, антизелен, антисин). Те също се комбинират, за да бъдат безцветни.
· 
Силната сила се премества между протон и неутрон чрез глюони
Ядрена сила
Ядрената сила или остатъчната силна сила (силата, останала след съединяването на кварките, за да се получат адрони) е (остатъчната) силна сила, действаща между адроните (частици, съставени от кварки, като протони и неутрони). Именно тя държи ядрото на атома заедно.
Въпроси и отговори
В: Кои са четирите основни сили във физиката?
О: Четирите фундаментални сили във физиката са електромагнетизмът, слабото взаимодействие, гравитацията и силната ядрена сила.
В: По какво се различава силната ядрена сила от другите фундаментални сили?
О: Силната ядрена сила е много по-силна от гравитацията (1038 пъти по-силна), но тя действа само на много малки разстояния от няколко фемтометра (fm). Тя държи заедно субатомни частици като неутрони и протони, както и атомното ядро.
Въпрос: Какво представлява квантовата хромодинамика?
О: Квантовата хромодинамика (QCD) е теория, която обяснява различните цветове. Според нея силната сила действа между кварките и глуоните.
Въпрос: Как работи ограничаването на цветовете?
О: Ограничаването на цветовете се случва, когато за отделянето на един кварк е необходима толкова много енергия, че вместо това се създават нови адрони. Това явление може да се наблюдава в ускорителите на частици.
В: Кои частици носят цветен заряд?
О: Кварките, антикварките и глуоните носят цветен заряд, който е подобен на електрическия заряд.
В: Как частиците с цветен заряд взаимодействат помежду си?
О: Частиците с цветен заряд обменят помежду си глюони, точно както частиците с електрически заряд обменят помежду си фотони.
В: Какво се случва, когато два адрона, съставени от кварки, взаимодействат помежду си?
О: Когато два адрона, съставени от кварки, взаимодействат помежду си, този ефект на силната сила е известен като ядрена сила (която не е фундаментална).
