你手中所持之物究竟为何，你并不知道。原子？是的，万物皆由原子构成。每个原子都有一个由电子环绕的原子核。每个原子核都由质子构成。每个质子都是——但到此为止。质子内部蕴藏着深刻而令人不安的真相：物质是由虚无，或者说几乎虚无的东西，由大量的“胶水”粘合而成。物理学家们在1973年首次怀疑这一点。最近，它已被实验证实。
欧洲核子研究中心照片
弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在1973年还是普林斯顿大学21岁的研究生，当时他协助发展了这一质子理论。起初他自己也并未真正理解它；他只是跟随数学的指引。“我们做了计算，但没有一个简单的直观理解，”维尔切克说。“物理图像是后来才形成的。”那个图像即使对物理学家来说也花了一段时间才消化，因为它确实不简单。即使在今天，如果你让一位物理学家描述一个质子，你首先会得到一个卡通版本——说质子简单地由三个称为夸克的更小粒子构成。这种描述并非完全错误——它只是分辨率较低。它就像一张3万英尺高空俯瞰时代广场的照片一样真实。而更近距离的现实，即维尔切克和他的同事们很久以前瞥见的那一个，则远为令人困惑和奇异。
一个质子确实由三个夸克组成，但夸克是微不足道的——只占质子总质量的2%左右。它们以接近光速在质子内部高速振动，但它们被囚禁在其他粒子的闪烁云团中——其他夸克，它们短暂地出现又消失，最重要的是，还有胶子，它们传递着将夸克束缚在一起的力。胶子是无质量且瞬逝的，但它们承载着质子的大部分能量。这就是为什么更准确地说，质子是由胶子而非夸克组成的。质子是小小的胶水团——但即使这个图像也传达了过于静态和实体的感觉。质子内部一切皆是流动和噼啪作响的能量；它就像一个瓶中无休止的雷暴，这个瓶子的直径不到万亿分之一英寸。“这是一种非常丰富、动态的结构，”维尔切克说。“我们拥有的理论能够重现它，这令人非常满意。”
特别是如果你恰好是发明这个理论的人之一，而且在二十多年后，这个理论正在通过实验得到验证。在德国汉堡的一个名为HERA的粒子加速器中，物理学家们在过去八年中一直将电子射向质子，展示了夸克在内部是多么虚无。与此同时，其他加速器实验可能很快就会揭示宇宙最初是如何组装所有质子的。今年2月，位于日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室CERN的物理学家们宣布了“令人信服的证据”，他们成功地熔化了大量质子，瞬间创造了在大爆炸后一微秒才存在的夸克-胶子等离子体。现在周围的所有质子都是从那种“汤”中凝结而成的。在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室，一台新的、更强大的加速器正准备在今年夏天每天烹制夸克-胶子汤。到明年，物理学家们可能对宇宙在比太阳表面热十亿倍时的情况有更清晰的认识，那时夸克和胶子——尚未被困在质子内部、原子核内部、原子内部、我们内部——可以在量子场中自由地玩耍。
量子色动力学，简称QCD，是维尔切克和他的同事们发明的理论，它是一种量子场论。对初学者来说，量子场论大致是这样的。首先，正如爱因斯坦发现的，E=mc2。也就是说，能量可以转化为质量，反之亦然。其次，空旷的空间并非空无一物：我们所说的真空实际上充满了各种能量场，能量不断地以“虚”粒子形式出现，然后在一万亿分之一纳秒内再次消失。“观察这种真空结构对我们并没有太大用处，”维尔切克说，他现在是普林斯顿高等研究院的教授，住在爱因斯坦的老房子里。“它帮不了我们躲避剑齿虎，也帮不了我们抚养孩子，所以进化教会了我们忽略它。但它确实存在。”
第三（也是我们的场论入门的最后一项），当两个亚原子粒子相互施加力时，它们是通过其中一个能量场相互作用的，而这个能量场正是它们自身帮助产生的。具体来说，它们正在交换一个虚粒子——量子场的量子。例如，一个电子带-1的电荷，这个电荷会产生一个电场。如果电子正在运动，就像它总是那样——围绕自身轴线旋转并围绕原子核运行——它也会产生磁场；所有磁场最终都是由运动的电荷产生的。当两个带电粒子相互作用时——例如，当一个电子在HERA中被质子散射时——它们会交换一个虚光子，即电磁场的量子。描述这种相互作用的理论，由理查德·费曼等人发明，称为量子电动力学，或QED。
在量子电动力学中，每个单独的电子都被一团短命的虚粒子包围——光子，还有其他与正电子（它们的带正电反物质双生子）配对的电子。这些蜂拥的粒子对形成一个屏幕，部分抵消了电子场——至少从屏幕外部看是这样。另一方面，从屏幕内部看，场似乎比你预期的更强，就像移开灯罩后的裸露灯泡。“好的，这就是屏蔽，这很容易理解，”维尔切克说。“在量子色动力学中，质子内部发生的情况恰恰相反：它是反屏蔽。这甚至对我们来说也是一个惊喜，所以它不会太简单。但多年来我们已经开始用更基本的术语来理解它。”
上世纪70年代初，当维尔切克从事其开创性工作时，是粒子物理学家们激动人心的时期。他们的空气与我们其他人呼吸的有些不同，而量子色动力学正弥漫其中。几年前，斯坦福直线加速器中心的研究人员首次将电子加速到足以穿透质子的能量。电子似乎并未坠入泥沼；它们似乎从质子内部的点状“块”上弹开。夸克，在1964年被假定为纯粹的数学实体，开始看起来好像它们真的存在于质子内部——而整个事物是如何结合在一起的问题变得紧迫而令人兴奋。当维尔切克和他的导师戴维·格罗斯在普林斯顿发现答案时，另一位名叫戴维·波利策的研究生在哈佛独立地发现了它。格罗斯是三人组中31岁的“老人”。“我们很幸运那时还年轻，”他后来写道，“那时我们可以漫步在新开放的海滩上，捡拾实验揭示的许多美丽的贝壳。”
其中一个贝壳比其他的更奇特。斯坦福的实验似乎表明，夸克之间的力——被称为强力——实际上随着夸克距离越近而变得越弱。这非常奇怪。我们日常遇到的力，电磁力和引力，作用方式恰恰相反：它们在距离源头较近时更强，在距离较远时更弱。这是直观的方式；事情就应该是这样。否则，例如，磁铁会从你的冰箱上飞走，粘在远处诱人的炉子上——只是从远处看，冰箱又会开始吸引它们。然而，尽管强力在极短距离上很弱，但在较长距离上却足够强，以至于让那些努力尝试却未能将夸克从质子中拉出来的物理学家感到沮丧。没有人成功地在隔离状态下观察到夸克。
维尔切克和格罗斯开始寻找一种能够解释这种力的量子场论。实际上，格罗斯预计他们会失败；他想证明场论是一条死路。但有一种称为非阿贝尔规范理论的数学形式尚未尝试。维尔切克花了半年时间，用一本笔记本写满了粒子如何通过非阿贝尔量子场相互作用的计算。最后，他得到了一个在近距离时变强的力，正如一个好的力应该表现的那样，正如格罗斯所预期的那样——但这与斯坦福测量的结果不同。维尔切克一遍又一遍地检查冗长的计算。然后格罗斯在场方程中发现了一个应该为负号的正号。这个符号的改变改变了一切：量子色动力学诞生了。
根据量子色动力学，在质子内部，夸克是“渐近自由的”，正如斯坦福大学的结果所暗示的，这意味着它们几乎像没有力作用于它们一样运动。但这种自由是一种幻觉：夸克永远无法逃脱它的伴侣。随着它们之间距离的增加，力也随之增加，因此一个偏离轨道的夸克不可避免地会被束缚回来，就像一个蹦极跳者。这就是为什么没有人曾经或将要看到一个单独的夸克，当你仔细思考时，这深感怪异。“质子有部分，但它不能被拆开，”欧洲核子研究中心的理论物理学家阿尔瓦罗·德鲁胡拉（Alvaro de Rújula）说。“你可以把一个电子握在手中。你不能把一个夸克或胶子握在手中。”
这种奇异性来自于胶子。量子色动力学是维系质子的力，它与维系原子的量子电动力学密切相似——但胶子将屏蔽变成了反屏蔽，将直观变成了怪异。在量子色动力学中，夸克携带着一种新型电荷，称为“颜色”——这与普通的颜色无关——这些电荷产生一个色场（因此得名“色动力学”）。该场的量子，以及强力的传递者，就是胶子。像传递电磁力的光子一样，胶子是无质量的。但与光子不同的是，胶子是带电荷的。它产生自己的色场，施加自己的强力，并与其他胶子相互作用。它的生活非常丰富。
色场，就像电磁场一样，可以被认为是具有两个分量——称之为色电和色磁。一个快速移动的色荷——胶子以光速移动——产生一个强色磁场。因此，胶子就像小小的偶极磁铁。围绕夸克的胶子会像磁铁一样平行于它的色场排列，因此它们非但没有像虚粒子削弱电子场那样削弱色场，反而增强了它。它们反屏蔽了夸克，放大了它的场。这里灯的比喻不再适用——夸克是一个暗淡的灯泡，却不知何故在灯罩外变得更亮。
这就是将质子束缚在一起的原因，也是赋予其奇异内部结构的原因。如果一个夸克设法进入另一个夸克的胶子云中，它只会感受到微弱的吸引力。但它离得越远，就越能感受到胶子的额外拉力——由夸克发射的胶子，由其他胶子发射的胶子，以及物质化为虚夸克-反夸克对的胶子，这些虚夸克-反夸克对又交换更多的胶子。“夸克触发了整个过程，但一旦开始，这是一个非常强大的过程，因为胶子会相互作用，”维尔切克说。“这是一种失控的过程。”
1974年，德·鲁胡拉、波利策、维尔切克和其他几位物理学家提出了质子的这种胶子化理论，并暗示了未来可能如何测量它。二十年后，HERA的科学家们正是这样做的。HERA是一个环形加速器，周长近四英里，其中电子以每秒47,000圈的速度撞击反向运行的质子。碰撞能量越大，电子在被偏转之前能钻入质子越深。通过测量数百万次碰撞中电子的偏转情况，物理学家可以收集关于造成偏转的内部成分的信息。维尔切克说，这就像逐像素地拍摄质子内部的照片——结果符合他和同事们几十年前提出的设想。
“质子仅在最粗略的层面上由三个夸克组成，”维尔切克说，“当你仔细观察并深入这些云团，开始看到基本结构时，你会发现它大部分是胶水。”
这使得“宇宙是如何设计出这样一种东西”的问题变得更加有趣。
参观粒子物理实验室，你会惊叹于规模的对比——所研究物体的小巧与所投入资源（人员、机器、计算能力、电力、空间、金钱）的庞大。（如果这些基础设施对于获取宇宙起源的信息来说似乎代价高昂，那么请想想万维网——旨在帮助科学家们交流海量数据文件——正是欧洲核子研究中心的创意。）欧洲核子研究中心消耗的电量几乎与其邻近的日内瓦市相当。欧洲核子研究中心最大的加速器，大型电子-正电子对撞机，占据了一条周长17英里的圆形隧道。未来几年，它将被拆除，取而代之的是一台更强大的加速器——大型强子对撞机，它将重现大爆炸后万亿分之一秒时存在的能量。（强子是像质子这样的核粒子，由夸克和胶子构成。）要制造夸克-胶子等离子体，你不需要追溯那么久远的时光——大爆炸后第一微秒即可——所以你需要的加速器功率较小。
尽管如此，欧洲核子研究中心（CERN）的超级质子同步加速器仍有四英里多长。它安置在地下300英尺的隧道中，隧道内一个几英寸宽的铝管中，铅原子核被磁铁加速到光速的99.9%。然后它们被引导到地面，进入一个巨大、工厂般的厅堂，长达300码。铝管分叉到不同的探测器中，在那里，每个由208个质子和中子（质子的电中性孪生兄弟）组成的铅原子核，撞击一块仅有几百微米厚的铅箔。
理论上，接下来发生的事情很简单：碰撞产生足够强烈的火球，足以熔化质子和中子。夸克和胶子自由地循环，就像它们在质子深处所做的那样，但现在是在一个比许多质子还宽的区域内，形成夸克-胶子等离子体。“如果你将大爆炸的影片倒放，它会变得越来越密，越来越热，”法兰克福大学的莱因哈德·斯托克（Reinhard Stock）说，他曾帮助设计欧洲核子研究中心的一个探测器，“我们知道，当它们的能量密度超过其结合能时，所有束缚结构都会瓦解。”量子色动力学要求在一定能量密度下存在夸克-胶子等离子体，“但你必须证明它的存在，”斯托克说，“这就是我们过去15年一直在这里的原因。”
问题在于，实验室火球迅速膨胀并迅速冷却，就像原始火球必然发生的那样。等离子体仅存在10^-22秒，之后夸克和胶子再次凝结成质子和其他强子。物理学家实际探测到的是数千个此类粒子从铅箔背面喷射而出。在斯托克的探测器中，这些粒子穿过一个房间大小的氩气盒，撞击氩原子并使其释放电子。计数器记录这些电子，计算机重建粒子轨迹，从而揭示它们的身份。一旦物理学家分析了海量数据——每次碰撞产生10兆字节的数据，斯托克和他的同事已经记录了数百万次碰撞——他们可能会了解一些关于产生等离子体的火球的信息。
在过去几年中，斯托克的探测器和欧洲核子研究中心（CERN）的其他探测器已证实，火球足够热，足够密，足以产生夸克-胶子等离子体。他们发现含有“奇”夸克的粒子过剩，而含有“粲”夸克的粒子匮乏——这两种现象都是量子色动力学预测的副作用。（奇夸克和粲夸克是普通粒子中不含有的奇异类型。）所有这些都构成了欧洲核子研究中心正在创造夸克-胶子等离子体的有力证据——但它并非确凿的证明。“问题是他们尚未能直接观测到它，”布鲁克海文国家实验室的物理学家汤姆·拉德拉姆（Tom Ludlam）说。
布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）计划于今年夏天开始进行物理实验，它将以CERN所能达到的能量的10倍来对撞金原子核，从而达到能让夸克-胶子等离子体多存在一微秒的温度。当夸克从万亿度的高温冷却下来时，它们应该会以伽马射线光子的形式发出热辐射。这是来自夸克-胶子等离子体最直接的信号，布鲁克海文的对撞机应该能够探测到它。你可以把它想象成宇宙中所有质子诞生时发出的那道闪光。
即使是布鲁克海文的科学家，也无法最终回答质子从何而来的问题。一个核心谜团将依然存在。在质子内部，胶子来来去去，夸克和反夸克以其无数的群落来来去去，但一个数字保持不变：夸克的数量总是比反夸克多三个。维尔切克所说的“在最粗略的层面上”，这些夸克构成了质子。为什么它们是物质而不是反物质？为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的？答案超越了量子色动力学。如果维尔切克和其他理论家是对的，那么夸克和反夸克之间微小的失衡在原始夸克-胶子等离子体中就已经存在。要理解它的起源，需要达到更高能量的加速器，例如CERN的大型强子对撞机。它将需要新的理论——不幸的是，其中一些理论可能要求我们开始将粒子视为微小的弦圈，并将宇宙视为拥有比我们已知和喜爱的四个维度更多的维度。
随着物理学的发展，量子色动力学赋予我们的质子图像可能会变得令人安心地具体和坚实——尽管“坚实”恰恰不是质子的特性。如果你能想象乘坐一种亚核滑翔机，驾驭强力，飞入其中，那就像坠入地球大气层一样。质子的上层大气是薄薄的虚拟夸克-反夸克对卷云；它们为下方的事物形成了一道屏障。当你穿过它们时，大气变得越来越稠密，云层越来越厚。你的飞机被越来越频繁、越来越猛烈的彩色闪电——胶子——击中。然后，也许在你下降了五分之四的路程时，你从云层中出现。旅程现在更加平静。闪电并未消失；它们已融合成一片连续的薄片，不知何故，你同时感到轻如羽毛，又对所有力免疫。你现在接近质子的中心，当你坠向完全自由的渐近线时，你完全被困住了，你发现……没什么。
“你观察得越仔细，就越会发现质子正在分解成许多粒子，每个粒子携带的能量都非常非常少，”维尔切克说，“而触发整个事件的现实元素，夸克，是云团中间这些微小的东西。事实上，如果你追踪其演化到无限短的距离，触发电荷会趋于零。如果你真的研究这些方程，它会变得近乎神秘。”
