Обратимся теперь к сильным взаимодействиям. Частицы, испытывающие сильное взаимодействие, — кварки, и не испытывающие его — лептоны, выглядят по этому признаку как совершенно различные, их превращение друг в друга кажется невозможным.
Сильное взаимодействие, как уже было сказано, связано с наличием у кварков «цветных» зарядов, и поэтому его иногда называют цветной силой.
Начнем с рассмотрения следующего вопроса. Почему все же кварки находятся в связанном состоянии внутри бариона или мезона? Разве нельзя придать кварку достаточно большую энергию, оторвать его от других кварков (как бы сильно они ни были связаны друг с другом) и заставить вылететь из бариона?
Как мы увидим, парадоксальность ситуации заключается в том, что кварки почти совсем не связаны, когда находятся внутри адрона (то есть бариона или мезона), они свободны!
Для того чтобы разобраться в этом удивительном обстоятельстве, вернемся ненадолго к электромагнитному взаимодействию.
Рассмотрим заряженную частицу, например, позитрон в вакууме. Мы уже знаем, что в вакууме непрерывно происходит рождение и уничтожение электрон-позитронных пар — «кипение» вакуума. Таким образом, наш изолированный позитрон в действительности окружен возникающими и исчезающими положительными и отрицательными зарядами. Несмотря на кратко· временность существования этих зарядов, они успевают обменяться с позитроном виртуальными фотонами, то есть провзаимодействовать. При этом отрицательные заряды будут притягиваться к позитрону, а положительные отталкиваться. В результате вокруг позитрона все время будет некоторый небольшой избыток отрицательного заряда, который частично экранирует положительный заряд позитрона.
Явление это получило название поляризации вакуума. Она приводит к тому, что другие удаленные реальные частицы чувствуют заряд не «голого» позитрона, а частично заэкранированного — одетого в «шубу» из противоположных по знаку зарядов, то есть проявление положительного заряда позитрона будет ослаблено. Этот «ослабленный» заряд позитрона и измеряется в обычных опытах.
Если теперь пробные реальные частицы подносить к позитрону все ближе и ближе, то они будут проникать в глубь экранирующей «шубы». Между пробным зарядом и «голым» позитроном будет оставаться все более тонкий слой, а значит, экранирование станет ослабевать.
Таким образом, на малых расстояниях эффективный заряд позитрона становится больше, то есть электромагнитное взаимодействие усиливается по сравнению с простым законом Кулона, если в него подставить заряд позитрона, измеренный со сравнительно большого расстояния.
Таков вывод квантовой электродинамики — науки об электромагнитном взаимодействии элементарных частиц.
Вернемся теперь к цветным зарядам и обусловленным ими сильным взаимодействиям. Кстати, теория, описывающая эти взаимодействия, называется, по аналогии с квантовой электродинамикой, квантовой хромодинамикой.
Согласно выводам квантовой хромодинамики, рождение виртуальных пар кварков и антикварков должно приводить к эффектам экранирования цветных зарядов так же, как это было в квантовой электродинамике. Однако здесь возможен новый процесс, который отсутствует в квантовой электродинамике. Вспомним, что переносчики электромагнитных сил — фотоны — электронейтральны. Поэтому фотоны не могут порождать фотоны. В отличие от них переносчики цветной силы — глюоны — сами обладают цветным зарядом, а значит, могут производить новые виртуальные глюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию» цветового заряда, то есть к явлению, прямо противоположному экранированию. И на малых расстояниях этот процесс преобладает над экранированием.
Теперь частица с цветовым зарядом, подходя все ближе к кварку и проникая все глубже в облако размытого цветового заряда, встречает в центральных частях все меньший и меньший заряд, и на достаточно малых расстояниях интенсивность взаимодействия ее с кварком ослабевает. Это явление называют асимптотической свободой частиц на совсем малых расстояниях, так как они практически не взаимодействуют и свободны. С увеличением же расстояния все более далекие части размазанного цветового заряда включаются во взаимодействие с частицей, и его эффективность нарастает, поддерживая постоянной силу взаимодействия. Согласно современным представлениям с увеличением расстояния цветная сила не уменьшается (как в случае электрической силы), а остается постоянной. Поэтому, чтобы все дальше и дальше удалять взаимодействующие цветовой силой частицы друг от друга, надо затрачивать энергию, и при росте расстояния между частицами требуемая энергия нарастает линейно с расстоянием.