- 一個質子由三個夸克組成，它們被膠子場結合在一起。
物體是由原子組成的，而原子由電子、質子和中子組成。然而，深入其中一個質子或中子，事情就變得奇怪了。三種被稱為夸克的粒子以接近光速的速度來回彈跳，被稱為膠子的相互連接的粒子弦彈回來。奇怪的是，質子的質量一定是以某種方式來自彈性膠子弦的能量，因為夸克的重量非常小，而膠子沒有質量。
物理學家在20世紀60年代發現了這個奇怪的夸克-膠子圖，並在70年代將其與一個方程式匹配，從而創造了量子動力學（QCD）理論。問題是，雖然這個理論似乎是準確的，但在數學上卻是異常複雜的。面對像計算三個細夸克如何產生巨大質子這樣的任務，量子動力學根本無法給出一個有意義的答案。
“這既誘人又令人沮喪，”英國曼徹斯特大學的粒子物理學家馬克·蘭開斯特說。“我們絕對知道夸克和膠子相互作用，但我們無法計算”。
如果有人能解出QCD中使用的這類方程來展示像質子這樣的大質量實體是如何形成的，他將獲得100萬美元的數學獎金。由於缺乏這樣的解，粒子物理學家們已經開發出了艱難的變通方法來提供近似的答案。一些人通過粒子對撞機實驗推斷夸克的活動，而另一些人則利用世界上最強大的超級計算機。但是，這些近似技術最近發生了衝突，使得物理學家們無法確定他們的理論到底預測了什麼，因此更難以解釋未知粒子或效應。
為了理解是什麼使得夸克和膠子如此違反數學定律，考慮一下在描述即使是行為良好的粒子時需要多少數學機制。例如，一個不起眼的電子可以短暫地發射一個光子，然後吸收它。在光子短暫的生命中，它可以分裂成一對物質-反物質粒子，每一個粒子都可以進行進一步的演化，直至無窮。
在20世紀40年代，經過大量的努力，物理學家們發展出了能夠適應自然界這種奇異特性的數學規則。研究一個電子需要將它的虛擬隨從分解成一系列可能的事件，每一個都對應一個被稱為費曼圖的圖形和一個匹配方程。要對電子進行完美的分析，需要無限串的圖表以及無限多步的計算。但對物理學家來說，幸運的是，那些對罕見事件更為複雜的描繪最終變得相對無關緊要。
- 費曼圖
20世紀60年代夸克的發現打破了一切。通過向質子注入電子，研究人員發現了質子內部被一種新的力束縛的部分。物理學家們競相尋找一種能夠處理這些新組成部分的描述。1973年，他們成功地將夸克的所有細節和將夸克束縛在一起的“強力”打包成一個緊湊的方程。但是他們的強力理論，量子動力學，並沒有以通常的方式表現出來。
費曼圖把粒子看作是通過從遠處接近彼此而相互作用的，就像檯球一樣。但是夸克不是這樣的。根據加州大學河濱分校的粒子物理學家弗利普·塔內多的說法，費曼圖表示三個夸克從一定距離聚集在一起，相互結合形成一個質子，這簡直是一幅“漫畫”，因為夸克的結合如此之強，以至於它們不可能獨立存在。它們之間連接的強度也意味著，與費曼圖相對應的無窮級數項以一種不受約束的方式增長，而不是以足夠快的速度消失，以允許一個簡單的近似。費曼圖是一個錯誤的工具。
這種強力之所以怪異，主要有兩個原因。首先，電磁力只包含一種電荷，而強力涉及三種電荷：被稱為紅色，綠色和藍色的“彩色”電荷。更奇怪的是，這種強力的載體被稱為膠子，它本身帶有色荷。因此，雖然構成電磁場的（電中性的）光子不會相互作用，但彩色膠子會聚集在一起形成弦。蘭開斯特說：“這確實導致了我們看到的差異。”膠子自身的力，加上這三個電荷，使得強力變得強大——強大到夸克無法脫離彼此。
幾十年來積累起來的證據表明膠子存在，並在某些情況下表現出預期的作用。但在大多數計算中，量子動力學方程被證明是難以處理這些作用的。然而，物理學家需要知道量子動力學預測了什麼——不僅要理解夸克和膠子，還要確定其他粒子的屬性，因為它們都受到包括虛誇克在內的量子活動的影響。
- 膠子場演化的晶格量子動力學模擬，紅色顯示能量密度最高的區域。
一種方法是通過觀察夸克在實驗中的表現來推斷無法計算的值。費米國家加速器實驗室的粒子物理學家克里斯·波利說：“把電子和正電子撞在一起，多久會產生最終狀態的夸克。他說，從這些測量數據中，你可以推斷在圍繞著所有粒子的虛活動中夸克出現的頻率。
其他研究人員繼續嘗試通過使用超級計算機計算近似解，從標準量子動力學方程中提取信息。粒子物理學家亞倫·邁耶說：“你只是不斷增加計算週期，答案就會越來越好。”
這種被稱為格點量子動力學的計算方法，把計算機變成了模擬數字夸克和膠子行為的實驗室。這項技術得名於它將時空分割成一個點網格的方式。夸克位於晶格點上，量子動力學方程允許它們相互作用。網格越密集，模擬越精確。費米實驗室的物理學家但是計算能力已經提高，晶格量子動力學現在可以成功地預測質子的質量，誤差在實驗確定值的幾個百分點之內。
理論學家認為，這些數字實驗室在接近夸克對其他粒子的影響方面，還需要一兩年的時間才能與對撞機實驗相競爭。但今年2月，一個歐洲合作組織發佈了一份預印本，聲稱利用新型降噪技術，將一種名為介子的粒子的磁性能精確到其真實值的1%以內，震驚了整個歐洲。
然而，該團隊對介子周圍虛誇克活動的預測與電子-正電子碰撞的推斷相沖突。邁爾最近合著了一份關於矛盾結果的調查報告，他說許多關於格點量子動力學的技術細節仍然沒有得到很好的理解，比如如何從粗糙的格點跳回到光滑的空間。許多研究人員認為介子是未被發現的粒子的領頭羊，確定量子動力學預測介子的工作正在進行中。
與此同時，具有數學背景的研究人員對於找到一種策略來解決這種強力並沒有完全絕望，因為他們對可能存在的最輕的夸克或膠子的質量進行了嚴格的預測在理論世界中，一種叫做全息原理的工具就是這樣一種方法。一般的策略是將問題轉化為一個抽象的數學空間，在這個空間中夸克的全息圖可以彼此分離，從而可以用費曼圖進行分析。
簡單的嘗試看起來很有希望，但是沒有一個能達到格點量子動力學的精確度。現在，理論家們將繼續完善他們不完善的工具，夢想新的數學機器能夠馴服基本的但不可分割的夸克。
