den stærke vekselvirkning

Den stærke vekselvirkning er en af de fire fundamentale naturkræfter. Protoner i en atomkerne er elektrisk ladede og frastøder hinanden med elektrostatiske kræfter, der er ca. 10¹⁰ gange stærkere end kræfterne mellem atomkernen og atomets elektroner. Når protonerne på trods af denne gensidige frastødning alligevel holdes bundet i atomkernen sammen med neutroner, skyldes det virkningen af de stærke kernekræfter; disse virker kun over meget korte afstande, mindre end ca. 10^-15 m.

Den stærke vekselvirkning blev historisk set som et resultat af udveksling af mesoner, især pioner, mellem kernens protoner og neutroner. Dette billede er imidlertid kun tilnærmelsesvis korrekt, og specielt er det kun gyldigt som en forsimplet beskrivelse for den yderste del af kernekræfternes rækkevidde. Et gennembrud i forståelsen kom i begyndelsen af 1970'erne med den fundamentale teori for stærke vekselvirkninger, kaldet kvantekromodynamik (Quantum Chromodynamics, forkortet QCD), baseret på kvarker og gluoner (se elementarpartikler). Denne teori er forbløffende simpel i sin komplette formulering, hvor den kan ses som en generalisering af teorien for elektrisk ladede partikler, det vekselvirker via elektriske og magnetiske felter. I kvantekromodynamikken er feltet der forårsager vekselvirkninger mellem kvarkerne baseret på Yang-Mills teori, en generalisation af den feltteori, der beskriver elektromagnetiske felter. Gluonerne har en rolle, der er analog til fotonerne i elektrodynamik, men til forskel fra fotoner vekselvirker gluonerne også indbyrdes med hinanden. Dette gør det langt vanskeligere at finde løsninger til teorien, og dette er også baggrunden for, hvorfor teorien først blev korrekt identificeret i 1970'erne, til trods for at de stærke vekselvirkninger havde været eksperimentelt identiceret cirka fyrre år tidligere.

De stærke vekselvirkninger simplificerer dramatisk ved meget korte afstande eller meget høje energier. Dette finder sin mest klare forklaring igennem forståelsen af, at de stærke vekselvirkninger forårsaget af gluonerne bliver svagere ved korte afstande, således at kvarkerne i grænsen af meget korte afstande faktisk opfører sig som frie partikler. For påvisningen i 1973 af denne fundamentale egenskab (asymptotisk frihed) ved kvantekromodynamik modtog David Gross, David Politzer, og Frank Wilczek Nobelprisen i Fysik (2004). I den modsatte grænse af store afstande mellem kvarkerne fører de komplicerede vekselvirkninger mellem gluonerne netop til at kræfterne bliver stærke, således som det er påvist eksperimentelt. På grund af disse meget stærke kræfter kan kvarkerne aldrig helt undslippe, og de er derfor altid bundne til andre kvarker i form af protoner, neutroner, pioner, og andre bundne tilstande. I denne grænse af store afstande på kernefysisk skala kan de stærke vekselvirkninger mellem f.eks. protoner og neutroner netop tilnærmelsesvis forstås som forårsaget af udvekslngen af pioner.