作为四大基本相互作用之一，强相互作用的研究可以追溯到19世纪末元素天然放射性的发现。在随后将近一个世纪里，经过众多科学家的不懈努力，强相互作用的面纱逐渐被揭开。文章将简要介绍与强相互作用相关的诺贝尔奖，并以此为载体梳理我们在探索世界的进程中对强相互作用的认知过程。关键词 强相互作用，亚原子结构，强子结构，诺贝尔奖

01物质相互作用及其认知年代

当前物理学认为我们的世界中存在4种基本的相互作用，分别是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。由于相互作用的尺度不同，这4种基本相互作用被发现的时间也不尽相同，如表1所示。1687年，经过长时间的研究并借鉴前人的经验与成果，牛顿在其《自然哲学的数学原理》一书中提出了万有引力定律，成功地解释了行星的运动轨迹。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，赋予了引力几何的本质。1785年，库仑在《电力定律》一文中给出了描述两个点电荷之间相互作用力的库仑定律。库仑定律是电磁现象中的第一个定量公式，经过后续实验和理论的发展，1865年麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，完成了电与磁的统一描述。我们日常生活中遇到的几乎所有现象都可以用这两种相互作用描述，但到了20世纪，我们渐渐遇到了这两种理论无法解释的现象——原子核结构与中子衰变。对这两个问题的研究使我们认识到强相互作用和弱相互作用的存在。1934年，汤川秀树和费米分别提出了介子交换理论和四费米子相互作用理论来解释核子之间的作用力及中子的衰变。这两种理论经过后续的发展与完善，最终在20世纪六七十年代发展成为量子色动力学(QCD)与电弱统一理论，构成了标准模型的基石。

表1 四大基本相互作用最早表现形式及其发现的年代

在强相互作用发展的过程中，一大批科学家做出了很多里程碑式的工作并获得了科学界最高的荣誉——诺贝尔奖。在第2和3节中我们将介绍与强相互作用相关的诺贝尔奖，了解这些工作的基本内容和意义，并以此理清我们探索亚原子微观结构的历史。第4节我们将简要介绍强相互作用的研究前沿。

02亚原子结构

2.1 原子核

欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)因对元素衰变及放射化学的研究获得1908年诺贝尔化学奖。卢瑟福被称为原子核物理、放射化学、原子物理之父。卢瑟福出生在新西兰的一个农场主家庭，在新西兰获得文学学士、文学硕士及理学学士之后，1895年进入剑桥大学卡文迪什实验室学习，成为汤姆孙(Joseph John Thomson)的学生。汤姆孙因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖。1898年，在汤姆孙的推荐下，卢瑟福赴加拿大麦吉尔大学任教。1907年，卢瑟福回到英国，任教于曼彻斯特大学并于1919年重返剑桥，接任汤姆孙的职位成为卡文迪什实验室的第四位领导。卢瑟福是一位杰出的实验物理学家，他秉持着严谨的态度对待每个发现，做出了包括α，β射线的发现，元素的衰变，α粒子散射实验，原子的核式模型，质子的发现等等一系列意义重大的成果，相关介绍可参考文献[1]。除了自己不凡的科学成就，卢瑟福还是一位伟大的科学导师。在他的学生、助手中，有10位获得了诺贝尔奖，这是他人至今，恐怕也是永远，无法达成的成就。

2.1.1 α，β射线的发现

1895年，德国科学家伦琴在研究阴极射线的时候意外地发现了一种新的射线——X射线，X代表未知。这个发现，尤其是伦琴夫人手骨的照片，一经公布便引起了极大的轰动——X射线就像一种可以透视的魔法。卢瑟福在汤姆孙的建议下进行了X射线电离性质的研究，这是当时物理研究的大热门。1896年，法国科学家贝可勒尔发现了铀的天然放射性，卢瑟福得知后便转向了铀的放射线研究。他发现在铀的放射线中，有两种穿透性截然不同的成分。1899年，他将铀放射出的极易被吸收的射线称为α射线，而将另一种具有更强穿透性的射线称为β射线[2]。虽然早期的实验发现这些射线并不会被电磁场偏转，也就是电中性的，但卢瑟福后续的实验结果显示α射线带正电且与氢原子的质量在一个量级。卢瑟福认为α射线是带有两个正电荷的氦离子，但直到1908年他才提供了确凿无疑的证据——α射线的光谱与1895年在太阳光中发现氦气时看到的光谱一样[3]。此外，他还将法国科学家维拉尔于1900年发现的铀的第三种放射线称为γ射线。这些名字沿用至今，仍是标准。

2.1.2 放射性转变

来到加拿大后，卢瑟福继续开展放射性的研究。1900年，卢瑟福在研究钍(原子序数Z=90)放射线的电离性质时，发现钍周围的气体同样具有放射性，卢瑟福称之为钍射气。他对这种放射性气体的化学本质感到非常迷惑，这一年，一位英国的年轻化学家索迪进入了卢瑟福的实验室鉴定这些放射气体的本质。最终他们经过实验确认钍发生的变化为

他们将这些实验结果整理发表，得到了一个在当时看似不可思议的结论[4]——元素在放出射线之后会变成其他元素。长期以来，大家认为原子作为构成物质世界的基本元素，是稳定不变的。卢瑟福的实验结果对这种观念提出了挑战，并因此获得了1908年的诺贝尔化学奖。

2.1.3 原子的核式模型

汤姆孙在发现电子之后提出了原子的葡萄干—布丁模型——正电荷均匀地分布在整个原子中而电子就像布丁中的葡萄干一样镶嵌其中。卢瑟福最初是认同这种模型的，“移动的电子，也就是构成原子的组件，需要正电荷这样的黏浆将其束缚在一起。”在卢瑟福研究了α粒子之后，他决定用α粒子轰击金箔来看其散射分布，进而验证这种原子模型——要么所有的α粒子都可以轻松地穿过金箔，几乎不发生偏转，要么所有的α粒子都不能穿过金箔，如图1(a)所示。

图1 汤姆孙模型(a)和卢瑟福模型(b)中α粒子散射示意图(图片取自维基百科词条“Rutherford”)

1908年，盖革在卢瑟福的指导下得到了初步的结果。他们发现正如预期的那样，所有的α粒子都穿过了金箔，而且都集中在很小的散射角内。第二年，盖革和卢瑟福的另外一个学生马斯登继续研究α散射实验。卢瑟福让马斯登看一下在大角度上是不是会探测到α粒子。马斯登的结果——约万分之一的α粒子会出现大角度散射——让卢瑟福大为震惊，“这是我一生中碰到的最不可思议的事情。就好像你用一颗15英寸的大炮去轰击一张纸而你竟被反弹回的炮弹击中一样[5]。”为了解释这种现象，卢瑟福提出了原子的核式模型——带正电的原子核携带原子绝大部分质量，却只占据中心非常小的区域，而外围绝大部分都是空的，如图1(b)所示。卢瑟福推导了这种原子模型的散射截面，得到的卢瑟福公式可以很好地解释实验中α粒子的角分布[6]。

原子的核式模型对后续认识原子结构至关重要。卢瑟福的学生玻尔在此基础上加入量子化条件提出的行星模型成功解释了原子光谱，促进了量子力学的建立。

2.1.4 质子的发现

1919年当卢瑟福用α粒子轰击氮气的时候他在接收屏上发现了一个和氢原子一样的信号。卢瑟福猜测是α粒子将氮原子核打成了碳原子核和氢原子核，用现在的记号来写是