Vahva ydinvoima, joka tunnetaan myös nimellä vahva vuorovaikutus, on maailmankaikkeuden vahvin voima, 1038 kertaa vahvempi kuin painovoima ja 100 kertaa vahvempi kuin sähkömagneettinen voima. Ainoa saalis on, että se toimii vain atomiytimen pituusasteikoissa ja putoaa nopeasti pidemmillä etäisyyksillä.
Vahva ydinvoima on se, mikä vapautuu ydinreaktioissa, kuten Auringossa, ydinvoimaloissa ja ydinpommeissa. Vahvaa voimaa kuvaavat kvanttikromodynamiikan lait, osa hiukkasfysiikan standardimallia, joka kehitettiin 1970-luvulla. Vuoden 2004 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin David Politzerille, Frank Wilczekille ja David Grossille.
Vahva voima ei itse asiassa esiinny suoraan protonien ja neutronien välillä ytimessä, vaan niitä muodostavissa pienemmissä kvarkeissa. Voimaa välittävät perushiukkaset, gluonit, jotka on nimetty tavasta, jolla ne liimaavat kvarkeja yhteen. Jokainen protoni tai neutroni koostuu kolmesta kvarkista. Ydinvälistä voimaa, joka pitää ytimen koossa, kutsutaan ydinvoimaksi tai jäännösvoimaksi, koska se on vain todellisen vahvan voiman toisen asteen vaikutus, joka pitää koossa niiden muodostavat kvarkit.
Vahvalla voimalla on ominaisuus, jota kutsutaan asymptoottiseksi vapaudeksi, eli kun kvarkit lähestyvät toisiaan, voima heikkenee ja lähestyy asymptoottisesti nollaa. Päinvastoin, kun kvarkit etenevät toisistaan, voima vahvistuu. Vapaiden kvarkkien löytämättä jättämisen on katsottu tarkoittavan sitä, että mikään maailmankaikkeuden ilmiö, ehkäpä mustia aukkoja lukuun ottamatta, ei pysty repimään kvarkeja toisistaan.
Teoriat vahvasta voimasta syntyivät havainnoista 1950-luvulla, jolloin kuplakammioissa havaittiin erilaisia perushiukkasia, joita kutsutaan “hiukkaseläintarhaksi”. Tämä hiukkasten kirjo vaati selityksiä niiden ominaisuuksille, jotka perustuivat eleganttiin teoriaan niiden taustalla olevista ainesosista. Kvanttielektrodynamiikan (QED) teoria toimitettiin, ja se tarjoaa tarkimman tunnetun kvantitatiivisen tieteellisen teorian. On kuitenkin tunnettu tosiasia, että QED ei ole täydellinen, koska se ei ole yhteensopiva nykyisen parhaan painovoimateorian, yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Fyysikot etsivät edelleen QED:n ja yleisen suhteellisuusteorian matemaattista yhdistämistä.
Oletetaan, että voi olla olemassa kvarkkitähtiä, neutronitähtien äärimmäisen tiheästi muunnelmia, joiden painovoimapaine on sellainen, että yksittäisiä neutroneja ei voida erottaa, ja kaikki kvarkit sulautuvat yhteen joksikin, joka muistuttaa yhtä jättimäistä neutronia, jota pitää koossa yksinomaan vahva voima ja painovoima. Kvarkkitähtien olemassaoloa ei kuitenkaan ole vielä lopullisesti vahvistettu.