用超级复杂的数学解决夸克问题，透视质子的内部世界
物体是由原子组成的，而原子由电子、质子和中子组成。然而，深入其中一个质子或中子，事情就变得奇怪了。三种被称为夸克的粒子以接近光速的速度来回弹跳，被称为胶子的相互连接的粒子弦弹回来。奇怪的是，质子的质量一定是以某种方式来自弹性胶子弦的能量，因为夸克的重量非常小，而胶子没有质量。物理学家在20世纪60年代发现了这个奇怪的夸克-胶子图，并在70年代将其与一个方程式匹配，从而创造了量子动力学（QCD）理论。问题是，虽然这个理论似乎是准确的，但在数学上却是异常复杂的。面对像计算三个细夸克如何产生巨大质子这样的任务，量子动力学根本无法给出一个有意义的答案。“这既诱人又令人沮丧，”英国曼彻斯特大学的粒子物理学家马克·兰开斯特说。“我们绝对知道夸克和胶子相互作用，但我们无法计算”。如果有人能解出QCD中使用的这类方程来展示像质子这样的大质量实体是如何形成的，他将获得100万美元的数学奖金。由于缺乏这样的解，粒子物理学家们已经开发出了艰难的变通方法来提供近似的答案。一些人通过粒子对撞机实验推断夸克的活动，而另一些人则利用世界上最强大的超级计算机。但是，这些近似技术最近发生了冲突，使得物理学家们无法确定他们的理论到底预测了什么，因此更难以解释未知粒子或效应。为了理解是什么使得夸克和胶子如此违反数学定律，考虑一下在描述即使是行为良好的粒子时需要多少数学机制。例如，一个不起眼的电子可以短暂地发射一个光子，然后吸收它。在光子短暂的生命中，它可以分裂成一对物质-反物质粒子，每一个粒子都可以进行进一步的演化，直至无穷。在20世纪40年代，经过大量的努力，物理学家们发展出了能够适应自然界这种奇异特性的数学规则。研究一个电子需要将它的虚拟随从分解成一系列可能的事件，每一个都对应一个被称为费曼图的图形和一个匹配方程。要对电子进行完美的分析，需要无限串的图表以及无限多步的计算。但对物理学家来说，幸运的是，那些对罕见事件更为复杂的描绘最终变得相对无关紧要。
20世纪60年代夸克的发现打破了一切。通过向质子注入电子，研究人员发现了质子内部被一种新的力束缚的部分。物理学家们竞相寻找一种能够处理这些新组成部分的描述。1973年，他们成功地将夸克的所有细节和将夸克束缚在一起的“强力”打包成一个紧凑的方程。但是他们的强力理论，量子动力学，并没有以通常的方式表现出来。费曼图把粒子看作是通过从远处接近彼此而相互作用的，就像台球一样。但是夸克不是这样的。根据加州大学河滨分校的粒子物理学家弗利普·塔内多的说法，费曼图表示三个夸克从一定距离聚集在一起，相互结合形成一个质子，这简直是一幅“漫画”，因为夸克的结合如此之强，以至于它们不可能独立存在。它们之间连接的强度也意味着，与费曼图相对应的无穷级数项以一种不受约束的方式增长，而不是以足够快的速度消失，以允许一个简单的近似。费曼图是一个错误的工具。这种强力之所以怪异，主要有两个原因。首先，电磁力只包含一种电荷，而强力涉及三种电荷：被称为红色，绿色和蓝色的“彩色”电荷。更奇怪的是，这种强力的载体被称为胶子，它本身带有色荷。因此，虽然构成电磁场的（电中性的）光子不会相互作用，但彩色胶子会聚集在一起形成弦。兰开斯特说：“这确实导致了我们看到的差异。”胶子自身的力，加上这三个电荷，使得强力变得强大——强大到夸克无法脱离彼此。几十年来积累起来的证据表明胶子存在，并在某些情况下表现出预期的作用。但在大多数计算中，量子动力学方程被证明是难以处理这些作用的。然而，物理学家需要知道量子动力学预测了什么——不仅要理解夸克和胶子，还要确定其他粒子的属性，因为它们都受到包括虚夸克在内的量子活动的影响。
- 胶子场演化的晶格量子动力学模拟，红色显示能量密度最高的区域。
一种方法是通过观察夸克在实验中的表现来推断无法计算的值。费米国家加速器实验室的粒子物理学家克里斯·波利说：“把电子和正电子撞在一起，多久会产生最终状态的夸克。他说，从这些测量数据中，你可以推断在围绕着所有粒子的虚活动中夸克出现的频率。其他研究人员继续尝试通过使用超级计算机计算近似解，从标准量子动力学方程中提取信息。粒子物理学家亚伦·迈耶说：“你只是不断增加计算周期，答案就会越来越好。”这种被称为格点量子动力学的计算方法，把计算机变成了模拟数字夸克和胶子行为的实验室。这项技术得名于它将时空分割成一个点网格的方式。夸克位于晶格点上，量子动力学方程允许它们相互作用。网格越密集，模拟越精确。费米实验室的物理学家但是计算能力已经提高，晶格量子动力学现在可以成功地预测质子的质量，误差在实验确定值的几个百分点之内。理论学家认为，这些数字实验室在接近夸克对其他粒子的影响方面，还需要一两年的时间才能与对撞机实验相竞争。但今年2月，一个欧洲合作组织发布了一份预印本，声称利用新型降噪技术，将一种名为介子的粒子的磁性能精确到其真实值的1%以内，震惊了整个欧洲。然而，该团队对介子周围虚夸克活动的预测与电子-正电子碰撞的推断相冲突。迈尔最近合著了一份关于矛盾结果的调查报告，他说许多关于格点量子动力学的技术细节仍然没有得到很好的理解，比如如何从粗糙的格点跳回到光滑的空间。许多研究人员认为介子是未被发现的粒子的领头羊，确定量子动力学预测介子的工作正在进行中。与此同时，具有数学背景的研究人员对于找到一种策略来解决这种强力并没有完全绝望，因为他们对可能存在的最轻的夸克或胶子的质量进行了严格的预测在理论世界中，一种叫做全息原理的工具就是这样一种方法。一般的策略是将问题转化为一个抽象的数学空间，在这个空间中夸克的全息图可以彼此分离，从而可以用费曼图进行分析。简单的尝试看起来很有希望，但是没有一个能达到格点量子动力学的精确度。现在，理论家们将继续完善他们不完善的工具，梦想新的数学机器能够驯服基本的但不可分割的夸克。
