强力或强核力是自然界的四种基本力之一，与引力、电磁力和弱力并列。顾名思义，强力是四种力中最强的一种。它将物质的基本粒子，即夸克，结合起来形成更大的粒子。但在2023年8月，一项新的发现让强力受到了质疑。通过用一束含有9个质子的氟-29同位素轰击一种氧同位素，物理学家终于创造出了氧-28——这是一种预计非常稳定的稀有氧同位素。唯一的问题是，它并不稳定。氧-28在一皮秒内衰变，或者说是一秒的十万亿分之一。这让物理学家们感到困惑，也让标准模型（五十年来描述粒子应该如何行为的理论）受到了怀疑。

标准模型中的强力

粒子物理学的主导理论是标准模型，它描述了物质的基本构成单元以及它们之间的相互作用。这个理论是在20世纪70年代初发展起来的，并且经过多次实验，已经成为一个经过良好检验的物理学理论，根据欧洲核子研究中心的说法。在标准模型下，最小、最基本的元素粒子之一，或者说不能被分割成更小部分的粒子，就是夸克。这些粒子是一类称为强子的大质量粒子的构成单元，其中包括质子和中子。科学家们还没有看到任何迹象表明有比夸克更小的东西，但他们仍在寻找。

强力最初被提出来解释为什么原子核不会飞散开来。看起来它们会这样做，因为原子核中带正电荷的质子之间存在排斥性的电磁力。后来物理学家发现，强力不仅将原子核结合在一起，而且还负责将组成强子的夸克结合在一起。“强力相互作用在……将强子结合在一起方面很重要。”根据杜克大学物理课程材料《四种力》所说。“基本强相互作用将一个强子内部的夸克结合在一起，而残余力将不同的强子结合在一起，比如原子核中的质子和中子。”

夸克和强子

夸克是构成所有物质的基本粒子之一。它们不能单独存在，而必须与其他夸克或反夸克（它们的反粒子）结合在一起形成复合粒子。这些复合粒子统称为强子，因为它们受到强力的约束。

根据标准模型，夸克有六种类型或“味道”，分别是上、下、奇、异、顶和底。每种类型都有不同的质量和电荷。上、下和奇夸克是最早被发现和最常见的类型，而异、顶和底夸克则是更重、更不稳定的类型，只能在高能量的粒子碰撞中产生。

夸克和反夸克可以以两种方式结合在一起形成强子：一种是由三个夸克组成的重子，如质子和中子；另一种是由一个夸克和一个反夸克组成的介子，如π介子和K介子。重子和介子都有零色，这意味着它们不受到强力的影响。然而，它们内部的夸克和反夸克仍然受到强力的约束，不能被分离出来。

夸克的味道和颜色

除了味道和电荷之外，夸克还有另一个重要的属性，即颜色。这个属性与视觉上的颜色没有任何关系，而是类似于电荷。就像电荷是电磁力的来源一样，颜色是强力的来源。没有颜色的粒子，如电子等轻子，不受强力的作用；有颜色的粒子，主要是夸克，受强力的作用。

颜色有三种可能的值：红、蓝和绿。反夸克则有相反的颜色：反红、反蓝和反绿。当三个不同颜色的夸克结合在一起形成重子时，它们的颜色相互抵消，得到零色。当一个颜色和一个反颜色的夸克结合在一起形成介子时，它们的颜色也相互抵消，得到零色。这就是为什么只有零色的强子才能存在的原因。

胶子

在强相互作用中，夸克之间交换胶子，胶子是强力的载体。胶子就像光子（电磁力的信使粒子）一样，是没有质量、自旋为1的粒子。然而，与光子不同的是，胶子带有颜色，这意味着它们受到强力的作用，并且可以自己相互作用。

胶子有8种可能的类型或“态”，每种态都由两种不同颜色或反颜色组成。例如，红-反蓝、蓝-反绿、绿-反红等。当一个红夸克发射一个红-反蓝胶子时，它会变成一个蓝夸克，并将胶子传递给另一个夸克。这样就实现了夸克之间的强相互作用。

残余强力

除了基本强相互作用之外，还有一种称为残余强力或核力的相互作用。这种力是由于胶子在空间中形成了一种类似于橡皮筋或绳索的结构而产生的。当两个夸克被拉开时，这种结构会变得越来越紧张，并试图将它们拉回来。如果给予足够大的能量来打断这种结构，那么就会产生新的夸克-反夸克对，并形成新的零色粒子。

残余强力不仅将一个强子内部的夸克结合在一起，而且还将不同的强子结合在一起形成原子核。例如，在氢原子核中只有一个质子；而在氦原子核中有两个质子结合在一起形成原子核。例如，在氢原子核中只有一个质子；而在氦原子核中有两个质子和两个中子。这些质子和中子之间的残余强力可以克服它们之间的电磁排斥力，使它们保持在一起。

残余强力的强度随着距离的增加而迅速减小。当两个强子相距约1飞米（10^-15米）时，残余强力达到最大值，相当于1000万吨重的力。当两个强子相距约2飞米时，残余强力减小到零。这就是为什么原子核的大小通常不超过10飞米的原因。

强力的挑战

尽管标准模型已经成功地解释了许多粒子物理学的实验结果，但它仍然有一些局限性和不足之处。例如，它不能解释引力、暗物质和暗能量等现象。它也不能预测所有粒子的质量和寿命。它还有一些内部矛盾和不自洽之处。因此，物理学家们一直在寻找超出标准模型范围的新物理现象，以修正或取代它。

2023年8月，一项新的发现让强力受到了质疑。通过用一束含有9个质子的氟-29同位素轰击一种氧同位素，物理学家终于创造出了氧-28——这是一种预计非常稳定的稀有氧同位素。唯一的问题是，它并不稳定。氧-28在一皮秒内衰变，或者说是一秒的十万亿分之一。这让物理学家们感到困惑，也让标准模型受到了怀疑。

根据标准模型，如果原子核中的壳层被某些特定数量的质子和中子填满，那么粒子应该是稳定的，这些特定数量被称为“魔数”。氧-28包含20个中子和8个质子，这两者都是魔数，表明该分子应该是非常稳定或“双魔”的。但事实并非如此。

这项发现表明，目前的魔数列表可能没有完全说明分子是否稳定。在另一种情况下，科学家们在2009年显示了一种氧-24同位素表现得好像它是双魔一样，即使它没有质子和中子的魔数。

这些异常现象可能意味着强力比我们认为的更复杂，或者存在着我们还不知道的新粒子或新相互作用。“这可能是一个突破性的发现。”加拿大圣玛丽大学的物理学家Rituparna Kanungo说，“它提出了一个非常非常大的基本问题，关于自然界最强的相互作用，即核强力。”

Mr.zhu

2025-04-18 21:08:16