量子色动力学:描述强大的力量
的核结合力
早在1920年欧内斯特·卢瑟福命名为质子并接受它为基本粒子，很明显电磁力难道不是唯一的力量工作在原子．必须有更强的物质来束缚正电荷质子结合在一起，从而克服它们天然的电斥力。1932年的发现中子证明有(至少)两种粒子受到相同的力。同年晚些时候，维尔纳·海森堡在德国进行了最早的尝试之一量子场论就是类似的与QED相适应，但与核结合力相适应。
根据量子场论在美国，粒子可以通过“电荷交换”力聚集在一起，这种力由带电的中间粒子携带。海森堡对这一理论的应用产生了质子和中子是同一粒子的带电和中性版本的想法——这一想法似乎得到了两种粒子质量几乎相等这一事实的支持。例如，海森堡提出质子可以发出被中子吸收的带正电的粒子;质子就这样变成了中子，反之亦然。原子核不再被看作是两种不变的台球的集合，而是不断变化的质子和中子的集合，它们被在它们之间穿梭的交换粒子结合在一起。
海森堡认为交换粒子是一种电子(他没有太多的粒子可供选择)。然而，这个电子必须有一些相当奇怪的特征，比如不自旋并且没有磁矩，这使得海森堡的理论最终无法被接受。量子场理论似乎不适用于核子的结合力。1935年，一位日本理论家，汤川秀树，他迈出了大胆的一步:他发明了一种新粒子作为核结合力的载体。
原子核的大小表明，结合力一定是短期的，围质子和中子的距离约为10−14米。汤川认为，要给出这个有限的范围，力必须涉及有质量的粒子交换，而不像QED中的无质量光子。根据不确定性原理，粒子与质量交换设定了交换时间的限制，因此限制了所产生的力的范围。汤川计算出这种新中间体的质量约为电子质量的200倍，即100兆电子伏。由于新粒子的预测质量介于电子和质子之间，因此这种粒子被命名为中粒子，后来缩写为介子．
汤川的作品在日本以外鲜为人知，直到1937年卡尔•安德森他的同事赛斯Neddermeyer在安德森发现正电子，他们发现了第二种新粒子宇宙辐射．这种新粒子似乎具有汤川所规定的质量，因此被美国人视为汤川理论的证实罗伯特·奥本海默还有罗伯特·瑟伯，他让汤川的作品在西方更广为人知。
然而，在接下来的几年里，很明显在这方面有困难协调汤川中间粒子的特性与新宇宙射线粒子的特性相吻合。特别是，一群意大利物理学家(在二战期间躲避德军占领时)成功地证明，宇宙射线粒子穿透物质太容易了，与核结合力无关。为了解决这个明显的问题悖论在日本和美国的理论家中美国开始认为可能存在两个介子。的双介子理论提出汤川核介子衰变为宇宙射线中观测到的穿透介子。
1947年，英国布里斯托尔大学的科学家们在法国的Pic du Midi高空发现了宇宙射线中存在两个介子的第一个实验证据。采用配备专用照相的探测器乳状液可以记录带电粒子的轨迹，布里斯托尔大学的物理学家发现了衰变一个较重的介子变成较轻的介子。他们称这个较重的粒子为π(或π)，并从此被称为π介子或π介子。较轻的粒子被称为μ(或mu)，现在简称为μ介子．(根据现代对介子的定义，介子是一种由原子组成的粒子夸克与反夸克结合，μ子实际上并不是介子。它被归类为a轻子-电子的关系)
宇宙中产生的介子的研究辐射在第一阶段粒子加速器表明介子的行为与汤川粒子的预期完全一致。此外，实验证实，正、负、中性的介子品种存在，正如预测1938年，尼古拉斯·凯默在英国拍摄。肯默认为核子的结合力相对于负责所涉及的粒子。他提出质子与质子之间或中子与中子之间的核力与质子与中子之间的核力相同。这对称需要存在一种中立的中介，而汤川最初的理论中没有这种中介。它还建立了亚原子粒子的一种新的“内部”性质的概念同位旋．
凯默的工作在某种程度上遵循了海森堡在1932年开始的路线。含有相同总数的质子和中子，但以不同组合的原子核之间的密切相似性表明，质子可以交换为中子，反之亦然，而不改变核结合力的净效应。换句话说，这种力不识别质子和中子之间的区别;它在质子和中子的交换下是对称的，就像一个正方形在旋转90°、180°等等时是对称的一样。
为了介绍这个对称在核力理论中，采用描述粒子自旋的数学被证明是有用的。在这方面，质子和中子被看作是单一碱性物质的不同状态核子．这些状态是有区别的通过一个内部属性，可以有两个值，+1/2和−1/2,在类比电子等粒子的自旋。这种新性质被称为同位素自旋同位旋简而言之，原子核的结合力被称为同位旋对称．
对称很重要物理因为它们简化了描述一系列观测结果所需的理论。例如，就物理学家所知，所有的物理定律都表现出平移对称。这意味着在一个地方进行的实验的结果空间而时间可以用来正确地预测同一实验在另一个时空中的结果。这种对称性反映在动量守恒-事实是总数动力除非受到外力的作用，否则系统的常数保持不变。
同位旋对称是物理学中重要的对称粒子物理虽然它只发生在原子核结合力的作用下，或者用现代术语来说，是强大的力量．这种对称性导致了通过强作用力发生的核相互作用中的同位旋守恒，从而决定了哪些反应可以发生。