Silná interakcia hmotných objektov

Dejiny

Pred 70. rokmi 20. storočia si fyzici neboli istí mechanizmom, ktorý drží pokope jadrá atómov. Bolo známe, že  jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov, a že protóny nesú kladný elektrický náboj, zatiaľ čo neutróny sú elektricky neutrálne. Tento fakt bol v rozpore s iným faktom. Podľa vtedajších poznatkov sa totiž pozitívne náboje odpudzovali a tým pádom by sa jadro rozpadlo. A keďže tento jav nikdy nepozorovali, bolo potrebné ho vysvetliť. 
Na vysvetlenie toho, ako jadrá držia pokope napriek vzájomnej odpudivosti protónov, bola potrebná silnejšia príťažlivá sila. Túto hypotetickú silu nazvali silná sila a považovala sa za základnú silu, ktorá pôsobí na nukleóny. Experimenty ukazovali, že táto sila viaže protóny a neutróny rovnakou silou.
Neskoršie objavy ukázali, že protóny ani neutróny nie sú základné častice, ale že sa skladajú z menších častíc – kvarkov. Silná príťažlivosť medzi nukleónmi je vedľajším efektom základnejšej sily, ktorá spája kvarky v protónoch a neutrónoch. Teória kvantovej chromodynamiky hovorí, že kvarky nesú niečo zvané farebný náboj, aj keď nemá nič spoločné s viditeľnou farbou. R.P. Feynman. QED: The Strange Theory of Light and Matter.    [s.l.] : Princeton University Press, 1985.       ISBN 0-691-08388-6.   S. 136. </ref> Kvarky s odlišným farebným nábojom sa priťahujú navzájom, čoho výsledkom je silná interakcia, prenášaná časticami zvanými gluóny.

Podrobnosti

Slovo silná sa používa preto, že silná interakcia je najsilnejšia zo štyroch základných interakcií. Je asi 100-násobne silnejšia ako elektromagnetická sila, 10^13 násobne silnejšia ako slabá interakcia a približne 10^39 silnejšia ako gravitácia.

Správanie silnej interakcie

V súčasnosti je silná interakcia popísaná v kvantovej chromodynamike (ďalej len QCD). Je súčasťou štandardného modelu časticovej fyziky. Matematicky je QCD ne-Abelianská kalibračná teória založená na lokálnej (kalibračnej) skupine symetrií nazývanej SU(3).
Kvarky a gluóny sú jediné základné častice nesúce nemiznúci farebný náboj a vďaka tomu participujú v silnej interakcii. Silná interakcia pôsobí priamo iba na základné kvarky a gluóny.
Všetky kvarky a gluóny v QCD na seba vzájomne pôsobia silnou silou. Sila interakcie je vyjadrená pomocou väzobnej konštanty. Táto sila je upravovaná farebným nábojom častice.
Silná sila pôsobí medzi kvarkami. Na rozdiel od ďalších síl (elektromagnetickej, slabej a gravitačnej), účinok silnej sily neklesá s rastúcou vzdialenosťou. Po dosiahnutí hraničnej vzdialenosti (približne veľkosť hadrónu) zostáva jej sila na úrovni okolo 10 000 N, nezávisle od toho, ako sa zväčší vzdialenosť medzi kvarkami. V QCD sa tento jav nazýva farebné obmedzenie a hovorí, že môžeme pozorovať iba hadróny, a nie jednotlivé voľné kvarky. Vysvetlením je, že množstvo práce vykonanej proti sile 10 000 Newtonov je dosť na vytvorenie párov častíc a antičastíc v rámci veľmi krátkej vzdialenosti interakcie. Jednoducho povedané, samotná energia použitá na odtrhnutie dvoch kvarkov od seba vyústi do opätovného spárovania nových kvarkov s pôvodnými. Zlyhanie všetkých experimentov, ktoré hľadali voľné kvarky, sa považuje za dôkaz tohoto javu. 
Základné kvarky a gluóny nie sú pozorovateľné priamo, namiesto toho sa objaví prúd novovzniknutých hadrónov hocikedy, vždy je energia uložená vo väzbách medzi kvarkami, ako keď sa protón zrazí s veľmi rýchlym kvarkom (v protóne) počas experimentov v urýchľovačoch častíc. Napriek tomu bola pozorovaná kvark-gluónová plazma.

Zvyšková silná interakcia

Zvyšková silná interakcia je zvyškový účinok silnej interakcie medzi kvarkami, ktoré tvoria nukleóny v jadrách atómov. Táto sila, pôsobiaca nepriamo, prenáša gluóny, ktoré tvoria časť virtuálnych mezónov pí a rhó, ktoré následne prenášajú jadrovú silu medzi nukleónmi. 
Silná interakcia je oveľa slabšia medzi neutrónmi a protónmi, pretože je zväčša neutralizovaná v nich podobným spôsobom ako elektromagnetické sily medzi neutrálnymi atómami, ktoré sú tiež omnoho slabšie ako elektromagnetické sily držiace vnútro atómov pohromade. 
Na rozdiel od samotnej silnej sily, zvyšková silná sila slabne - slabne signifikantne s rastúcou vzdialenosťou. Pokles je približne zápornou mocninou vzdialenosti, i keď pre to neexistuje žiadne jednoduché vyjadrenie (pozri Jukawov potenciál). Toto spolu s pomalším poklesom rušivej elektromagnetickej sily medzi protónmi spôsobuje nestabilitu väčších atómových jadier, resp. všetkých s atómovým číslom väčším ako 82.