古希臘人認為原子是宇宙中最小的物質單元。然後在 20 世紀，科學家們分裂了原子，產生了更小的成分：質子、中子和電子。反過來，質子和中子被證明是由更小的粒子——夸克組成的，這些夸克由“粘性”粒子——恰如其名地稱為膠子——結合在一起。我們現在知道，這些粒子是真正基本的，但即使是這幅圖景也被證明是不完整的。
用於窺探質子和中子內部的實驗方法揭示了其內部一個完整的交響樂團。這些粒子各自由三個夸克和數量不等的膠子組成，以及所謂的海洋夸克——成對的夸克伴隨著它們的反物質夥伴——反夸克——它們不斷地出現和消失。質子和中子並不是宇宙中發現的唯一由夸克組成的粒子。過去半個世紀的加速器實驗創造了許多其他包含夸克和反夸克的粒子，這些粒子與質子和中子一起被稱為強子。
儘管有了這些洞見——以及對單個夸克和膠子如何相互作用的良好理解——但令我們沮喪的是，物理學家們無法完全解釋夸克和膠子如何產生質子、中子和其他強子所表現出的全部屬性和行為。例如，將質子內部的夸克和膠子的質量加起來，甚至無法解釋質子的總質量，從而引發了所有這些缺失質量來自何處的謎題。此外，我們想知道膠子究竟是如何首先完成結合夸克的工作的，以及為什麼這種結合似乎依賴於夸克內部一種特殊的“顏色”電荷。我們也不理解質子的旋轉——一個稱為自旋的可測量量——是如何從其內部夸克和膠子的自旋中產生的：這是一個謎，因為較小粒子的自旋不容易加起來成為整體。
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如果物理學家能夠回答這些問題，我們將最終開始理解物質在其最基本層面的運作方式。識別圍繞夸克和膠子的主要謎團（我們將在下面詳細介紹）本身就是辨別最精細層面物質物理學的關鍵一步。正在進行和未來的工作，包括側重於夸克和膠子奇異構型的研究，應該有助於揭開這些謎題。只要稍加運氣，我們將很快能夠走出迷霧。
質子質量從何而來？
質量之謎是物理學家最棘手的問題之一，它很好地說明了為什麼夸克和膠子的運作如此令人困惑。我們對夸克和輕子——包括電子的一類粒子——如何獲得質量有了相當好的理解。這種機制源於希格斯玻色子——2012 年在日內瓦附近歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機 (LHC) 上備受矚目地發現的粒子——以及與其相關的希格斯場，該場遍佈整個空間。當粒子穿過這個場時，它們與它的相互作用賦予它們質量。希格斯機制通常被認為解釋了可見宇宙中質量的起源。然而，這種說法是不正確的。夸克的質量僅佔質子和中子質量的 2%。我們認為，其餘 98% 主要來自膠子的作用。但是，膠子如何幫助產生質子和中子質量尚不清楚，因為它們本身是無質量的。
阿爾伯特·愛因斯坦著名的方程式提供瞭解決這個難題的線索，該方程式將靜止粒子的質量與其能量聯絡起來。透過反轉方程，使其讀作 m = E/c
2，我們看到靜止質子的質量 (m) 可以說是源於其能量 (E)，以光速 (c) 為單位表示。由於質子的能量主要由膠子貢獻，因此理論上，人們只需要計算出膠子的淨能量即可計算出質子的質量。
然而，計算膠子的能量非常困難，部分原因是它們的總能量來自幾個貢獻因素。自由粒子（未連線到其他粒子）的能量是其運動能量。然而，夸克和膠子幾乎從不孤立存在。它們僅在難以想象的小時間尺度（小於 3 × 10
−24 秒）內以自由粒子的形式存在，然後它們被束縛到其他亞原子粒子中，並從字面上被遮蔽而無法看到。此外，在膠子中，能量不僅僅來自運動；它與它們在將自身和夸克結合成長壽命粒子時消耗的能量密不可分。因此，要解開質量之謎，就需要更好地理解膠子是如何“粘合”的。但是在這裡，膠子也為破譯它們的奧秘設定了障礙。
膠子是如何結合的？
在某種程度上，關於膠子如何粘合的答案很簡單：它們運用強力。但這種力本身就令人困惑。
強力是自然界的四種基本力之一，另外三種是引力、電磁力和弱力（最後一種負責放射性衰變）。在這四種力中，它是迄今為止最強大的力（因此得名）。除了將夸克結合在一起形成強子外，強力還將質子和中子結合到原子核中，克服了原子核中帶正電荷的質子之間存在的巨大電磁斥力。自然界的每種基本力似乎都與一種粒子聯絡在一起，這種粒子被稱為力載體。正如光子——光的基元——是電磁力的力載體一樣，膠子是強力的載體。
到目前為止一切順利。但強力有時以令人驚訝的方式發揮作用。根據量子力學，力的距離範圍與力載體的質量成反比。例如，電磁力的範圍是無限的；原則上，地球上的一個自由電子會感受到來自月球另一側電子的輕微排斥力。光子在電子之間傳遞力，因此是無質量的。與電磁力相反，強力的範圍不會延伸到原子核之外。這一事實意味著膠子質量非常大。然而，膠子似乎是無質量的。
強力的另一個奇特之處在於，它似乎對夸克的拉力隨著它們距離的增大而增強。相反，兩塊磁鐵之間的電磁力在它們靠近時最強，而在它們分開時較弱。物理學家在 20 世紀 60 年代首次觀察到夸克，當時在斯坦福直線加速器中心（現在的 SLAC 國家加速器實驗室）進行的實驗中，高能電子與質子靶碰撞。有時電子直接穿過，但有時它們撞到固體並反彈回來。它們的反彈速度和方向揭示了質子內部夸克的存在和排列。這些所謂的深度非彈性散射 (DIS) 實驗表明，夸克在短距離處相互吸引力較弱；但在較大的距離處，看不到自由夸克，這意味著它們必須強烈地相互拉扯。
為了形象化強力的作用方式，想象一下兩個夸克用弦綁在一起。當它們彼此靠近時，弦中的張力鬆弛，夸克似乎沒有感受到力。當它們移動得更遠時，弦中的張力將它們拉在一起。夸克之間的這種力相當於在距離約為質子大小時的 16 公噸的重量。但是，如果外力對抗強力的拉力會發生什麼？弦會斷裂。絃斷裂究竟是如何發生的是我們無法完全解釋的另一個謎，它對於膠子如何在原子核內部粘合而在原子核外部不粘合的故事至關重要。
為什麼有些粒子有顏色？
在 20 世紀 70 年代，物理學家們設計了一種稱為量子色動力學 (QCD) 的理論，該理論在數學上描述了強力。正如電磁力圍繞粒子的電荷旋轉一樣，根據 QCD，強力圍繞一種稱為色荷的屬性旋轉。顏色的概念確實有助於闡明為什麼強力的行為與電磁力如此不同，但它也引發了一系列新的難題——例如，為什麼有些粒子有顏色而另一些粒子沒有顏色，因此是“色盲”。
根據 QCD，夸克和膠子都帶有色荷。所有帶色粒子都透過交換膠子相互作用，這意味著不僅夸克來回傳遞膠子，而且膠子也相互交換膠子。量子色動力學的這種含義與電磁學有很大的不同——光子不會相互作用，這在滿是灰塵的房間裡交叉的光束透明地證明了這一點。然而，物理學家認為，膠子的自相互作用是強力在近距離處減弱的原因的核心。膠子可以暫時變成夸克-反夸克對或膠子對，然後再變回單個膠子。夸克-反夸克漲落使色荷之間的相互作用強度更強，而膠子對漲落使其更弱。由於這種膠子振盪在 QCD 中比夸克交換更普遍，因此它們獲勝。（物理學家戴維·J·格羅斯、弗蘭克·維爾切克和 H·戴維·波利策因這一發現而榮獲 2004 年諾貝爾物理學獎。）
自 QCD 問世以來的幾十年裡，世界各地的實驗都證實了該理論作為物理學標準模型的支柱之一的主張。然而，QCD 的許多細節仍然難以捉摸。奇怪的是，例如，儘管質子中的三個夸克各自帶有一種顏色電荷，例如紅色、綠色和藍色，但質子沒有淨色荷。同樣，強子（稱為 π 介子（通常稱為π介子））中的夸克和反夸克帶有色荷，但π介子是無色的。強子的顏色中性類似於原子的電荷中性。但是，原子的零淨電荷是質子的正電荷和電子的負電荷相互抵消的明顯結果，而有色夸克和有色膠子如何結合形成無色強子在 QCD 中尚不清楚。
QCD 還應該解釋質子和中子如何克服質子之間強大的電磁斥力，從而在原子內部粘合在一起。但是，儘管取得了一些進展，但從 QCD 推匯出核物理學仍然具有挑戰性。這種障礙持續存在，因為 QCD 方程在夸克和膠子之間相互作用強度變得非常大的遠距離處非常難以求解。而且，我們缺乏數學證明來證明 QCD 方程如何確保有色夸克和膠子被限制在無色強子內。禁閉實際上是一個價值 100 萬美元的問題——它是克萊數學研究所確定的六個未解決的難題之一，任何提供答案的人都將獲得 100 萬美元的獎勵。
為什麼膠子不會永遠繁殖？
QCD 的一個驚人結果是，熟悉的質子內部的膠子和夸克的數量可能會發生很大變化。除了基本的三個夸克外，不斷變化的膠子數量像螢火蟲一樣飛舞，忽明忽暗地出現和消失，夸克和反夸克對形成並溶解；結果是出現和消失的粒子的“量子泡沫”。物理學家認為，當質子和中子達到極高速度時，質子內部的膠子會分裂成成對的新膠子，每個膠子的能量都略低於母膠子。反過來，子膠子會產生更多的子膠子，能量甚至更低。膠子的這種分裂類似於失控的爆米花機。理論表明，這種情況可能會永遠持續下去——但我們知道它不會。
如果膠子繼續繁殖，蓋子就會從爆米花機上炸開——換句話說，質子會變得不穩定並坍縮。由於物質顯然是穩定的（我們存在），因此很明顯，必須有某種東西來控制失控的級聯——但那是什麼呢？一種想法是，當膠子變得如此之多以至於它們開始在質子內重疊時，自然界設法貼出最大佔用標誌。強大的自相互作用導致它們相互排斥，能量較低的膠子重新結合形成能量較高的膠子。當膠子數量的增長趨於平緩時，膠子達到一種稱為膠子飽和的穩定分裂和重組狀態，從而控制了爆米花機。
這種推測的飽和膠子態通常被稱為色玻凝聚態，將是宇宙中最強大力量的一些精華的提煉。到目前為止，我們只對其存在有一些暗示，其性質尚未完全理解。透過使用比目前可用的更強大的 DIS 實驗探測這種狀態，物理學家將能夠在其最稠密、最極端的形態下仔細檢查膠子。限制色玻凝聚態內部膠子積累量的力場是否與首先將質子結合在一起的禁閉場相同？如果是這樣，在不同背景下觀察同一場可能會為我們提供關於膠子如何創造它的新見解。
質子自旋從何而來？
關於夸克和膠子的另一個謎是它們的自旋如何貢獻於其母粒子的整體自旋。所有強子都有自旋，這類似於陀螺繞其軸旋轉的旋轉能量。具有不同自旋的強子在強磁場中以不同的方向進動和捲曲。
探測質子自旋的實驗表明，夸克產生大約 30% 的總自旋。這些強子的其餘自旋在哪裡？質子作為夸克和膠子沸騰之海的多體圖景立即表明，其餘自旋可能由膠子貢獻。但是，將極化質子（其自旋與其運動方向對齊或相反）撞擊其他極化質子的實驗表明，膠子自旋僅佔質子自旋的約 20%——這意味著 50% 的自旋仍然缺失。
一個天體類比說明了一種可能的解決方案。太陽系的角動量包括行星繞其軸自旋以及它們繞太陽軌道運動的總和。限制在質子內的夸克、反夸克和膠子也進行軌道運動。為了理解這種軌道運動有多重要，我們必須繪製出質子內部夸克和膠子的速度和位置。我們中的一位（Ent）參與使用極高強度電子束進行 DIS 實驗以做到這一點。在細節層面上，我們正在從快照轉向亞飛米（小於一千萬億分之一米）距離的物質的 3D 電影。
物質的奇異狀態
為了理解夸克和膠子相互作用的真正性質，我們必須研究它們，不僅在質子、中子和其他眾所周知的粒子的熟悉構型中研究，而且在它們所有可能的形態中研究。QCD 允許存在超出熟悉的質子和中子的奇異強子態。模擬表明，可能存在額外的無色強子，例如“膠球”（僅包含膠子）、由兩個夸克-反夸克對組成的“分子”或歸類為夸克-反夸克-膠子束縛態的混合實體。關於這些奇異強子的實驗證據有限，迄今為止僅發現了少數四夸克分子候選物。然而，由於全球正在進行的大量實驗搜尋，這種情況可能即將發生重大變化。值得注意的是，一個名為 GlueX 的專用設施正在弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室開始執行。
物理學家最近發現了另一種極端物質狀態，稱為夸克-膠子等離子體。當原子核以接近光速的速度碰撞時，它就會形成。理論家懷疑，當兩個原子核的快速中子和質子相互碰撞時，它們的色玻凝聚態會破碎，打破夸克和膠子的禁閉，並釋放凝聚態的能量以產生夸克和膠子的狂熱群。這種等離子體是地球上創造的最熱的物質，溫度超過四萬億攝氏度。令人驚訝的是，這種材料的流動幾乎沒有阻力——至少比水的阻力小 20 倍。
夸克-膠子等離子體與早期宇宙非常相似。在創造了這種等離子體的實驗室——布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機和歐洲核子研究中心的 LHC——的科學家們現在正在觀察世界上最小、最完美的流體。透過觀察這種等離子體的冷卻過程，我們中的兩位（Ullrich 和 Venugopalan）和其他人正在深入瞭解宇宙是如何演化的。透過以這種方式將質子和中子工程化破壞成等離子體，研究人員可以反向研究禁閉，以期揭示夸克和膠子如何粘合在一起的秘密。
前進之路
理想情況下，物理學家希望完全繪製出質子和中子內部膠子和夸克的位置、運動和自旋。這些圖譜將幫助我們計算夸克和膠子對其母粒子總質量和自旋的貢獻。這些圖譜將為結合質子和中子的夸克和膠子活動提供前所未有的洞察力。構建這些影像需要一個夸克-膠子飛秒鏡——一種類似於顯微鏡的 DIS 工具，它可以向內窺探宇宙，尺度小至質子半徑的千分之一。在美國，傑斐遜實驗室和布魯克海文實驗室正在尋求資金和批准，以建造一臺飛秒鏡，該飛秒鏡將使電子與極化質子和鉛核碰撞。與以前的實驗中快速移動的電子撞擊靜止的核靶不同，這兩種型別的粒子都將在該機器中加速到接近光速，然後再迎頭相撞。
電子-離子對撞機 (EIC) 專案將實現無與倫比的強度水平，這意味著碰撞束中的粒子將非常緊密地聚集在一起，並且數量如此之多，以至於碰撞發生的頻率將比以往任何時候都高。碰撞次數的增加（比以前的 DIS 對撞機增加多達 1000 倍）將使研究人員能夠生成質子和中子內部結構的許多單獨快照。
在量子色動力學提出後的過去四十年中，物理學家在解釋強力為何如此表現以及理解我們對夸克和膠子動力學的知識差距方面取得了一些進展。然而，我們尚未填補缺失的部分，以建立一個關於膠子如何粘合的簡單而連貫的故事。今天正在開發的技術為我們帶來了希望，即在未來 40 年左右的時間裡，我們將最終破解物質在其最基本層面上是如何構成的基本奧秘。