古希腊人认为原子是宇宙中最小的物质单元。然后在 20 世纪，科学家们分裂了原子，产生了更小的成分：质子、中子和电子。反过来，质子和中子被证明是由更小的粒子——夸克组成的，这些夸克由“粘性”粒子——恰如其名地称为胶子——结合在一起。我们现在知道，这些粒子是真正基本的，但即使是这幅图景也被证明是不完整的。
用于窥探质子和中子内部的实验方法揭示了其内部一个完整的交响乐团。这些粒子各自由三个夸克和数量不等的胶子组成，以及所谓的海洋夸克——成对的夸克伴随着它们的反物质伙伴——反夸克——它们不断地出现和消失。质子和中子并不是宇宙中发现的唯一由夸克组成的粒子。过去半个世纪的加速器实验创造了许多其他包含夸克和反夸克的粒子，这些粒子与质子和中子一起被称为强子。
尽管有了这些洞见——以及对单个夸克和胶子如何相互作用的良好理解——但令我们沮丧的是，物理学家们无法完全解释夸克和胶子如何产生质子、中子和其他强子所表现出的全部属性和行为。例如，将质子内部的夸克和胶子的质量加起来，甚至无法解释质子的总质量，从而引发了所有这些缺失质量来自何处的谜题。此外，我们想知道胶子究竟是如何首先完成结合夸克的工作的，以及为什么这种结合似乎依赖于夸克内部一种特殊的“颜色”电荷。我们也不理解质子的旋转——一个称为自旋的可测量量——是如何从其内部夸克和胶子的自旋中产生的：这是一个谜，因为较小粒子的自旋不容易加起来成为整体。
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如果物理学家能够回答这些问题，我们将最终开始理解物质在其最基本层面的运作方式。识别围绕夸克和胶子的主要谜团（我们将在下面详细介绍）本身就是辨别最精细层面物质物理学的关键一步。正在进行和未来的工作，包括侧重于夸克和胶子奇异构型的研究，应该有助于揭开这些谜题。只要稍加运气，我们将很快能够走出迷雾。
质子质量从何而来？
质量之谜是物理学家最棘手的问题之一，它很好地说明了为什么夸克和胶子的运作如此令人困惑。我们对夸克和轻子——包括电子的一类粒子——如何获得质量有了相当好的理解。这种机制源于希格斯玻色子——2012 年在日内瓦附近欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 上备受瞩目地发现的粒子——以及与其相关的希格斯场，该场遍布整个空间。当粒子穿过这个场时，它们与它的相互作用赋予它们质量。希格斯机制通常被认为解释了可见宇宙中质量的起源。然而，这种说法是不正确的。夸克的质量仅占质子和中子质量的 2%。我们认为，其余 98% 主要来自胶子的作用。但是，胶子如何帮助产生质子和中子质量尚不清楚，因为它们本身是无质量的。
阿尔伯特·爱因斯坦著名的方程式提供了解决这个难题的线索，该方程式将静止粒子的质量与其能量联系起来。通过反转方程，使其读作 m = E/c
2，我们看到静止质子的质量 (m) 可以说是源于其能量 (E)，以光速 (c) 为单位表示。由于质子的能量主要由胶子贡献，因此理论上，人们只需要计算出胶子的净能量即可计算出质子的质量。
然而，计算胶子的能量非常困难，部分原因是它们的总能量来自几个贡献因素。自由粒子（未连接到其他粒子）的能量是其运动能量。然而，夸克和胶子几乎从不孤立存在。它们仅在难以想象的小时间尺度（小于 3 × 10
−24 秒）内以自由粒子的形式存在，然后它们被束缚到其他亚原子粒子中，并从字面上被屏蔽而无法看到。此外，在胶子中，能量不仅仅来自运动；它与它们在将自身和夸克结合成长寿命粒子时消耗的能量密不可分。因此，要解开质量之谜，就需要更好地理解胶子是如何“粘合”的。但是在这里，胶子也为破译它们的奥秘设置了障碍。
胶子是如何结合的？
在某种程度上，关于胶子如何粘合的答案很简单：它们运用强力。但这种力本身就令人困惑。
强力是自然界的四种基本力之一，另外三种是引力、电磁力和弱力（最后一种负责放射性衰变）。在这四种力中，它是迄今为止最强大的力（因此得名）。除了将夸克结合在一起形成强子外，强力还将质子和中子结合到原子核中，克服了原子核中带正电荷的质子之间存在的巨大电磁斥力。自然界的每种基本力似乎都与一种粒子联系在一起，这种粒子被称为力载体。正如光子——光的基元——是电磁力的力载体一样，胶子是强力的载体。
到目前为止一切顺利。但强力有时以令人惊讶的方式发挥作用。根据量子力学，力的距离范围与力载体的质量成反比。例如，电磁力的范围是无限的；原则上，地球上的一个自由电子会感受到来自月球另一侧电子的轻微排斥力。光子在电子之间传递力，因此是无质量的。与电磁力相反，强力的范围不会延伸到原子核之外。这一事实意味着胶子质量非常大。然而，胶子似乎是无质量的。
强力的另一个奇特之处在于，它似乎对夸克的拉力随着它们距离的增大而增强。相反，两块磁铁之间的电磁力在它们靠近时最强，而在它们分开时较弱。物理学家在 20 世纪 60 年代首次观察到夸克，当时在斯坦福直线加速器中心（现在的 SLAC 国家加速器实验室）进行的实验中，高能电子与质子靶碰撞。有时电子直接穿过，但有时它们撞到固体并反弹回来。它们的反弹速度和方向揭示了质子内部夸克的存在和排列。这些所谓的深度非弹性散射 (DIS) 实验表明，夸克在短距离处相互吸引力较弱；但在较大的距离处，看不到自由夸克，这意味着它们必须强烈地相互拉扯。
为了形象化强力的作用方式，想象一下两个夸克用弦绑在一起。当它们彼此靠近时，弦中的张力松弛，夸克似乎没有感受到力。当它们移动得更远时，弦中的张力将它们拉在一起。夸克之间的这种力相当于在距离约为质子大小时的 16 公吨的重量。但是，如果外力对抗强力的拉力会发生什么？弦会断裂。弦断裂究竟是如何发生的是我们无法完全解释的另一个谜，它对于胶子如何在原子核内部粘合而在原子核外部不粘合的故事至关重要。
为什么有些粒子有颜色？
在 20 世纪 70 年代，物理学家们设计了一种称为量子色动力学 (QCD) 的理论，该理论在数学上描述了强力。正如电磁力围绕粒子的电荷旋转一样，根据 QCD，强力围绕一种称为色荷的属性旋转。颜色的概念确实有助于阐明为什么强力的行为与电磁力如此不同，但它也引发了一系列新的难题——例如，为什么有些粒子有颜色而另一些粒子没有颜色，因此是“色盲”。
根据 QCD，夸克和胶子都带有色荷。所有带色粒子都通过交换胶子相互作用，这意味着不仅夸克来回传递胶子，而且胶子也相互交换胶子。量子色动力学的这种含义与电磁学有很大的不同——光子不会相互作用，这在满是灰尘的房间里交叉的光束透明地证明了这一点。然而，物理学家认为，胶子的自相互作用是强力在近距离处减弱的原因的核心。胶子可以暂时变成夸克-反夸克对或胶子对，然后再变回单个胶子。夸克-反夸克涨落使色荷之间的相互作用强度更强，而胶子对涨落使其更弱。由于这种胶子振荡在 QCD 中比夸克交换更普遍，因此它们获胜。（物理学家戴维·J·格罗斯、弗兰克·维尔切克和 H·戴维·波利策因这一发现而荣获 2004 年诺贝尔物理学奖。）
自 QCD 问世以来的几十年里，世界各地的实验都证实了该理论作为物理学标准模型的支柱之一的主张。然而，QCD 的许多细节仍然难以捉摸。奇怪的是，例如，尽管质子中的三个夸克各自带有一种颜色电荷，例如红色、绿色和蓝色，但质子没有净色荷。同样，强子（称为 π 介子（通常称为π介子））中的夸克和反夸克带有色荷，但π介子是无色的。强子的颜色中性类似于原子的电荷中性。但是，原子的零净电荷是质子的正电荷和电子的负电荷相互抵消的明显结果，而有色夸克和有色胶子如何结合形成无色强子在 QCD 中尚不清楚。
QCD 还应该解释质子和中子如何克服质子之间强大的电磁斥力，从而在原子内部粘合在一起。但是，尽管取得了一些进展，但从 QCD 推导出核物理学仍然具有挑战性。这种障碍持续存在，因为 QCD 方程在夸克和胶子之间相互作用强度变得非常大的远距离处非常难以求解。而且，我们缺乏数学证明来证明 QCD 方程如何确保有色夸克和胶子被限制在无色强子内。禁闭实际上是一个价值 100 万美元的问题——它是克莱数学研究所确定的六个未解决的难题之一，任何提供答案的人都将获得 100 万美元的奖励。
为什么胶子不会永远繁殖？
QCD 的一个惊人结果是，熟悉的质子内部的胶子和夸克的数量可能会发生很大变化。除了基本的三个夸克外，不断变化的胶子数量像萤火虫一样飞舞，忽明忽暗地出现和消失，夸克和反夸克对形成并溶解；结果是出现和消失的粒子的“量子泡沫”。物理学家认为，当质子和中子达到极高速度时，质子内部的胶子会分裂成成对的新胶子，每个胶子的能量都略低于母胶子。反过来，子胶子会产生更多的子胶子，能量甚至更低。胶子的这种分裂类似于失控的爆米花机。理论表明，这种情况可能会永远持续下去——但我们知道它不会。
如果胶子继续繁殖，盖子就会从爆米花机上炸开——换句话说，质子会变得不稳定并坍缩。由于物质显然是稳定的（我们存在），因此很明显，必须有某种东西来控制失控的级联——但那是什么呢？一种想法是，当胶子变得如此之多以至于它们开始在质子内重叠时，自然界设法贴出最大占用标志。强大的自相互作用导致它们相互排斥，能量较低的胶子重新结合形成能量较高的胶子。当胶子数量的增长趋于平缓时，胶子达到一种称为胶子饱和的稳定分裂和重组状态，从而控制了爆米花机。
这种推测的饱和胶子态通常被称为色玻凝聚态，将是宇宙中最强大力量的一些精华的提炼。到目前为止，我们只对其存在有一些暗示，其性质尚未完全理解。通过使用比目前可用的更强大的 DIS 实验探测这种状态，物理学家将能够在其最稠密、最极端的形态下仔细检查胶子。限制色玻凝聚态内部胶子积累量的力场是否与首先将质子结合在一起的禁闭场相同？如果是这样，在不同背景下观察同一场可能会为我们提供关于胶子如何创造它的新见解。
质子自旋从何而来？
关于夸克和胶子的另一个谜是它们的自旋如何贡献于其母粒子的整体自旋。所有强子都有自旋，这类似于陀螺绕其轴旋转的旋转能量。具有不同自旋的强子在强磁场中以不同的方向进动和卷曲。
探测质子自旋的实验表明，夸克产生大约 30% 的总自旋。这些强子的其余自旋在哪里？质子作为夸克和胶子沸腾之海的多体图景立即表明，其余自旋可能由胶子贡献。但是，将极化质子（其自旋与其运动方向对齐或相反）撞击其他极化质子的实验表明，胶子自旋仅占质子自旋的约 20%——这意味着 50% 的自旋仍然缺失。
一个天体类比说明了一种可能的解决方案。太阳系的角动量包括行星绕其轴自旋以及它们绕太阳轨道运动的总和。限制在质子内的夸克、反夸克和胶子也进行轨道运动。为了理解这种轨道运动有多重要，我们必须绘制出质子内部夸克和胶子的速度和位置。我们中的一位（Ent）参与使用极高强度电子束进行 DIS 实验以做到这一点。在细节层面上，我们正在从快照转向亚飞米（小于一千万亿分之一米）距离的物质的 3D 电影。
物质的奇异状态
为了理解夸克和胶子相互作用的真正性质，我们必须研究它们，不仅在质子、中子和其他众所周知的粒子的熟悉构型中研究，而且在它们所有可能的形态中研究。QCD 允许存在超出熟悉的质子和中子的奇异强子态。模拟表明，可能存在额外的无色强子，例如“胶球”（仅包含胶子）、由两个夸克-反夸克对组成的“分子”或归类为夸克-反夸克-胶子束缚态的混合实体。关于这些奇异强子的实验证据有限，迄今为止仅发现了少数四夸克分子候选物。然而，由于全球正在进行的大量实验搜索，这种情况可能即将发生重大变化。值得注意的是，一个名为 GlueX 的专用设施正在弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室开始运行。
物理学家最近发现了另一种极端物质状态，称为夸克-胶子等离子体。当原子核以接近光速的速度碰撞时，它就会形成。理论家怀疑，当两个原子核的快速中子和质子相互碰撞时，它们的色玻凝聚态会破碎，打破夸克和胶子的禁闭，并释放凝聚态的能量以产生夸克和胶子的狂热群。这种等离子体是地球上创造的最热的物质，温度超过四万亿摄氏度。令人惊讶的是，这种材料的流动几乎没有阻力——至少比水的阻力小 20 倍。
夸克-胶子等离子体与早期宇宙非常相似。在创造了这种等离子体的实验室——布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机和欧洲核子研究中心的 LHC——的科学家们现在正在观察世界上最小、最完美的流体。通过观察这种等离子体的冷却过程，我们中的两位（Ullrich 和 Venugopalan）和其他人正在深入了解宇宙是如何演化的。通过以这种方式将质子和中子工程化破坏成等离子体，研究人员可以反向研究禁闭，以期揭示夸克和胶子如何粘合在一起的秘密。
前进之路
理想情况下，物理学家希望完全绘制出质子和中子内部胶子和夸克的位置、运动和自旋。这些图谱将帮助我们计算夸克和胶子对其母粒子总质量和自旋的贡献。这些图谱将为结合质子和中子的夸克和胶子活动提供前所未有的洞察力。构建这些图像需要一个夸克-胶子飞秒镜——一种类似于显微镜的 DIS 工具，它可以向内窥探宇宙，尺度小至质子半径的千分之一。在美国，杰斐逊实验室和布鲁克海文实验室正在寻求资金和批准，以建造一台飞秒镜，该飞秒镜将使电子与极化质子和铅核碰撞。与以前的实验中快速移动的电子撞击静止的核靶不同，这两种类型的粒子都将在该机器中加速到接近光速，然后再迎头相撞。
电子-离子对撞机 (EIC) 项目将实现无与伦比的强度水平，这意味着碰撞束中的粒子将非常紧密地聚集在一起，并且数量如此之多，以至于碰撞发生的频率将比以往任何时候都高。碰撞次数的增加（比以前的 DIS 对撞机增加多达 1000 倍）将使研究人员能够生成质子和中子内部结构的许多单独快照。
在量子色动力学提出后的过去四十年中，物理学家在解释强力为何如此表现以及理解我们对夸克和胶子动力学的知识差距方面取得了一些进展。然而，我们尚未填补缺失的部分，以创建一个关于胶子如何粘合的简单而连贯的故事。今天正在开发的技术为我们带来了希望，即在未来 40 年左右的时间里，我们将最终破解物质在其最基本层面上是如何构成的基本奥秘。