眾所周知，原子由被電子包圍的質(zhì)子和中子組成。這些帶負(fù)電荷的電子被帶正電荷的質(zhì)子吸引，同時(shí)電子之間也彼此產(chǎn)生排斥。但幸運(yùn)的是，電子分散得足夠開，排斥力不會(huì)過多地干擾吸引力，因此它們能圍繞在原子核附近運(yùn)動(dòng)。另一方面，質(zhì)子緊密地?cái)D在原子核中，它們之間的電磁排斥力絕對(duì)是巨大的。那么原子核是如何保持在一起的呢？

現(xiàn)在這個(gè)問題的答案也是眾所皆知的：強(qiáng)力。但是，如果強(qiáng)力如此強(qiáng)大，為什么它僅限于原子核？這些問題的答案在于夸克和膠子通過量子色動(dòng)力學(xué)規(guī)則的復(fù)雜行為。

我們?cè)?940年代開啟了第一個(gè)粒子對(duì)撞機(jī)，并開始探測(cè)到一個(gè)名副其實(shí)的粒子動(dòng)物園。當(dāng)物理學(xué)家試圖理解粒子動(dòng)物園時(shí)，他們觀察到了某些特殊的關(guān)系。蓋爾曼等人意識(shí)到，這些粒子在粒子碰撞中產(chǎn)生的方式表明存在一個(gè)新的守恒量，他們將其命名為奇異數(shù)。

蓋爾曼和尤瓦勒·內(nèi)埃曼注意到，如果你根據(jù)粒子的奇異數(shù)和電荷數(shù)排列粒子，它們會(huì)形成幾何圖案，比如有八個(gè)粒子的六邊形和十個(gè)粒子的三角形。不久之后，人們意識(shí)到粒子動(dòng)物園的粒子不是基本的，它們?nèi)匀皇怯筛〉牧Ｗ咏M成的，而那些粒子是就夸克。事實(shí)證明，這些形狀上的位置代表了粒子的夸克含量：奇異數(shù)只是代表存在多少奇異夸克。順便說一句，這些多重夸克的粒子現(xiàn)在被稱為強(qiáng)子。

將強(qiáng)子描述為夸克群解釋了這種圖案形式，但它也引入了一個(gè)全新的問題。對(duì)于費(fèi)米子這一類粒子，不能有兩個(gè)相同的粒子占據(jù)相同的量子態(tài)，這種限制被稱為泡利不相容原理。

結(jié)果是，在一個(gè)原子中沒有兩個(gè)電子可以占據(jù)相同的能級(jí)。好吧，稍微修正一下：電子軌道可以包含兩個(gè)電子，但那是因?yàn)檫@些電子可以具有不同的自旋狀態(tài)。那么這如何適用于夸克？讓我們看看歐米茄重子，它由三個(gè)奇異夸克組成?，F(xiàn)在，必須有一些不同的東西才能讓他們遵守泡利不相容原理。它不可能是自旋的，因?yàn)橛?個(gè)粒子并且只有兩種可能的自旋狀態(tài)。唯一的解決方案是必須有一些其他屬性使它們不同，并且該屬性必須具有三個(gè)不同的可能值。

在電磁學(xué)中有正電荷和負(fù)電荷，而在強(qiáng)力中，有三種電荷類型。事實(shí)上，我們用紅色、綠色和藍(lán)色來標(biāo)記這三種強(qiáng)力電荷。這個(gè)豐富多彩的約定導(dǎo)致我們的強(qiáng)相互作用科學(xué)命名為量子色動(dòng)力學(xué)，當(dāng)然夸克并不是真的有顏色。如果我們有不同的色荷，那么我們就有可能產(chǎn)生吸引力。我們需要這種吸引力來將夸克在核子中結(jié)合在一起，并將核子在原子核中結(jié)合在一起。并且這種吸引力需要比排斥的電磁力更強(qiáng)，同時(shí)也消失在原子核之外。

這是怎么做到的？強(qiáng)子還有另一種奇怪的行為可以幫助我們回答這個(gè)問題。事實(shí)證明，所有這些粒子都是由三個(gè)或兩個(gè)夸克組成的?？梢栽诹Ｗ訉?duì)撞機(jī)中創(chuàng)建更多的組合，但在自然界中卻不行。最重要的是，除非在非常特殊的情況下，否則我們從未見過孤夸克。

與電磁場(chǎng)和光子一樣，我們需要一個(gè)場(chǎng)來介導(dǎo)強(qiáng)力，并且該場(chǎng)應(yīng)該有自己的粒子，我們稱這些粒子為膠子。但是這個(gè)場(chǎng)看起來與原子核周圍的電磁場(chǎng)非常不同。一方面，它不會(huì)隨著夸克的距離而減弱：夸克對(duì)不是形成場(chǎng)強(qiáng)的衰減梯度，而是通過稱為通量管的膠子場(chǎng)線連接起來。通量管具有張力，就像拉伸的松緊帶一樣，通量管拉伸得越多，它所擁有的能量就越多。在某個(gè)時(shí)刻，管子會(huì)折斷來產(chǎn)生一對(duì)新的夸克，但前提是已經(jīng)積累了足夠的能量?，F(xiàn)在每個(gè)原始夸克都與一個(gè)新夸克配對(duì)，從一個(gè)π介子形成兩個(gè)新π介子。

任何其他由夸克構(gòu)成的粒子也會(huì)發(fā)生同樣的情況。如果你想把它們分開，你最終只會(huì)形成新的粒子，所以夸克永遠(yuǎn)不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)，除非是在最極端的能量中。如果有足夠的能量，例如在非常早期的宇宙中或在大型粒子對(duì)撞機(jī)的撞擊點(diǎn)，空間就會(huì)變得飽和，因此無法形成新的夸克。

膠子場(chǎng)的這種行為解釋了為什么我們只能看到成群的夸克，但我們還需要一點(diǎn)來解釋為什么在原子核之外從未看到過強(qiáng)力。這一點(diǎn)包含有兩個(gè)部分的內(nèi)容：第一個(gè)是夸克總是聚集成顏色中性的粒子，第二個(gè)是沒有中性的膠子。這意味著膠子就無法與夸克組合形成的強(qiáng)子等中性粒子相互作用，也就是說強(qiáng)力的范圍就被限制在了原子核內(nèi)。

膠子可以攜帶許多不同的顏色組合，并且總是處于多個(gè)組合的疊加狀態(tài)。例如，膠子可以是綠反藍(lán)和藍(lán)反綠的組合。事實(shí)證明，我們可以將任何膠子的狀態(tài)表達(dá)為只有八個(gè)膠子的組合，如下圖所示。這看起來是不是很熟悉？它與前面8個(gè)粒子組成的六邊形相似。這種模式出現(xiàn)在這么多不同地方的原因是對(duì)稱性問題，每當(dāng)有三個(gè)一組的三個(gè)自由度的組合，并且其中兩個(gè)組合是中性的，就會(huì)得到這個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。它的名字是三階特殊酉群，我們可以稱它為SU(3)。

這種對(duì)稱性被納入物理定律，在那里它表現(xiàn)為強(qiáng)力。但SU(3)可以自由地出現(xiàn)在許多其他環(huán)境中，比如我們眼睛中顏色感受器的行為。我們有3個(gè)顏色感受器，我們的大腦使用SU(3)對(duì)稱群將來自這些感受器的輸入結(jié)合到我們對(duì)顏色的主觀感覺中。