为什么只有8个胶子？
> Combinations of three quarks (RGB) or three antiquarks (CMY) are colorless, as are appropriate combinations of quark/antiquark pairs. The gluon exchanges that keep these entities stable are quite complicated, but require eight, not nine, gluons. (MASCHEN / WIKIMEDIA COMMONS)有三种色和三种反色，实际上没有九种胶子。只有八个。
宇宙最令人费解的特征之一就是强大的核力量。在每个质子或类似中子的粒子内部，都有三个夸克，每个夸克都有自己的颜色。这三种颜色的总和构成了一种无色的结合，这似乎是宇宙所必须的。您可以具有三个夸克，三个反夸克（具有相应的反色）或一个夸克-反夸克的组合：可以抵消的颜色-反色。最近，发现四夸克（带有两个夸克和两个反夸克）和五夸克（带有四个夸克和一个反夸克）也产生无色的量子态。
但是，尽管自然界中允许使用三种颜色和三种反色，但能调节强力的颗粒（胶子）却只有八种。您可能会认为，您可以幻想的每种颜色-反色组合都将被允许，从而给我们提供9种颜色，但我们的物理宇宙按照不同的规则发挥作用。这就是为什么我们只有八个胶子的令人难以置信和令人惊讶的物理学。
> Today, Feynman diagrams are used in calculating every fundamental interaction spanning the strong, weak, and electromagnetic forces, including in high-energy and low-temperature/condensed conditions. The electromagnetic interactions, shown here, are all governed by a single force-carrying particle: the photon. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)
在物理学中，只有几个基本力，每个基本力都由自己的规则支配。在引力中，只有一种电荷：质量/能量，它总是很有吸引力。您可以拥有多少质量/能量没有上限，因为最糟糕的是创建一个黑洞，它仍然符合我们的重力理论。每个能量量子-无论它是否具有静止质量（例如电子）或不存在（例如光子），都会弯曲空间结构，从而导致我们将其视为重力现象。如果说引力本质上是量子，那么只需要一个量子粒子即引力子就可以承载引力。
电磁是在宏观尺度上容易出现的另一种基本力，它给我们带来了更多的变化。除了一种类型的电荷，还有两种：正电荷和负电荷。像电荷一样排斥；相反的收费吸引。尽管电磁学的物理原理与引力学的物理原理有很大不同，但其结构仍与引力一样简单。您可以不受限制地拥有任意大小的免费电荷，并且只需要一个粒子（光子）即可介导所有可能的电磁相互作用。
> Quarks and antiquarks, which interact with the strong nuclear force, have color charges that correspond to red, green and blue (for the quarks) and cyan, magenta and yellow (for the antiquarks). Any colorless combination, of either red + green + blue, cyan + yellow + magenta, or the appropriate color/anticolor combination, is permitted under the rules of the strong force. (ATHABASCA UNIVERSITY / WIKIMEDIA COMMONS)
但是，当我们继续研究强大的核力量时，规则就根本不同了。除了一种类型的电荷（引力）或什至两种类型的电荷（电磁），还存在三种用于强核力的基本电荷，即所谓的颜色。此外，颜色遵守的规则不同于其他因素。其中包括：
· 您不能拥有任何类型的净费用；仅允许"无色"状态。
· 颜色加上其反色是无色的。此外，所有三种唯一的颜色（或反色）加在一起也是无色的。
· 每个夸克都包含一种颜色的净色料。每个反夸克都分配有一个反色。
· 唯一带有颜色的标准模型粒子是胶子：夸克交换胶子，这就是它们形成结合态的方式。
尽管这些复杂的规则与重力和电磁的规则大不相同，但它们实际上可以帮助我们了解质子和中子等单个粒子如何结合在一起。
> As better experiments and theoretical calculations have come about, our understanding of the proton has gotten more sophisticated, with gluons, sea quarks, and orbital interactions coming into play. However, the fundamental idea that there are three valence quarks of three different colors has remained a constant. (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
首先，质子和中子本身以及其他类似粒子（称为重子）必须由三个夸克组成，每个夸克具有不同的颜色。对于质子或中子等每个粒子，都有一个反粒子对应物，由三个反夸克组成，每个反夸克包含不同的反色。每时每刻存在的每种组合都必须是无色的，这意味着夸克有一种红色，一种绿色和一种蓝色。用于防夸脱的一种是青色（反红色），一种是品红色（反绿色），一种为黄色（反蓝色）。
像所有受量子场论控制的粒子一样，强核力的工作方式是通过粒子交换。但是，与重力或电磁不同，强核力背后的理论结构要复杂一些。尽管引力本身不会改变所涉及粒子的质量/能量，并且电磁不会改变彼此吸引或排斥的粒子的电荷，但夸克（或反夸克）的颜色（或反色）每次都会改变发生强大的核力量。
> The strong force, operating as it does because of the existence of 'color charge' and the exchange of gluons, is responsible for the force that holds atomic nuclei together. A gluon must consist of a color/anticolor combination in order for the strong force to behave as it must, and does. Here, gluon exchange is illustrated for the quarks within a single neutron. (WIKIMEDIA COMMONS USER QASHQAIILOVE)
我们形象化的方式是通过交换胶子。每个胶子都将由一个夸克（或反夸克）发射，并被另一个夸克（或反夸克）吸收，这与电磁遵循的规则相同：每个光子由一个带电粒子发射并由另一个带电粒子吸收。光子是传递电磁力的传力粒子。胶子是介导强大核力的粒子。
您可能会立即想到，可能有9种胶子：每种可能的颜色-反色组合中的一种。实际上，遵循一些非常简单的逻辑，这几乎是每个人所期望的。有三种可能的颜色，三种可能的反色，每种可能的颜色-反色组合代表一种胶子。如果您可视化质子内部发生的情况，如下所示：
· 夸克发出胶子，改变其颜色，
· 然后胶子被另一个夸克吸收，改变其颜色，
您会清楚地了解到六种可能的胶子所发生的情况。
> Although gluons are normally visualized as springs, it's important to recognize that they carry color charges with them: a color-anticolor combination, capable of changing the colors of the quarks and antiquarks that emit-or-absorb them. The quantum rules that govern this interaction may be complicated, but these rules cannot be broken (APS/ALAN STONEBRAKER)
如果在质子内部有3个胶子-一个红色，一个绿色和一个蓝色，总和为无色，那么很明显，以下六个胶子交换可能发生。
· 红色夸克可能会发出红色-蓝色的胶子，将其变成蓝色，然后将蓝色夸克变成红色，
· 或红色-反绿色胶子，将绿色夸克变成红色，
· 或蓝色夸克可能发出蓝红色胶子，将其变成红色，而红色夸克变成蓝色，
· 或蓝绿色胶子，将绿色变成绿色，而夸克变成蓝色，
· 或者绿色的夸克可能会发出绿色的胶红色胶子，将红色变成红色，而红色的夸克变成绿色，
· 或绿色反蓝胶子，将其变成蓝色，使蓝夸克变绿。
这样就可以处理六个"简单"胶子。但是其他的呢？毕竟，您难道不希望还会有红色-红色，绿色-绿色和蓝色-蓝色的胶子吗？
> Individual protons and neutrons may be colorless entities, but the quarks within them are colored. Gluons can not only be exchanged between the individual gluons within a proton or neutron, but in combinations between protons and neutrons, leading to nuclear binding. However, every single exchange must obey the full suite of quantum rules. (WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH)
抱歉不行。假设您做到了：假设您有一个红色和红色的胶子。夸克会发出红光，保持红色。但是哪个夸克会吸收它？绿夸克不能，因为没有"反绿"部分可以将其抵消并变成无色，因此可以从胶子中提取红色。同样，蓝夸克也不能，因为胶子中没有"反蓝"。
这是否意味着只有六个胶子，而另外三个胶子在物理上不存在？
不完全的。虽然您不能拥有纯的"红-抗红"或"绿-抗绿"，但您可以具有混合状态，部分是红-抗红，部分是绿-绿，甚至是蓝色-蓝。这是因为，在量子物理学中，具有相同量子态的粒子（或粒子组合）全部混合在一起。这是不可避免的。就像中性介子是上抗夸克和下抗夸克的组合一样，其他允许的胶子是红抗红，绿抗绿和蓝抗蓝的组合。
> The combination of a quark (RGB) with its appropriately corresponding antiquark (CMY) always ensure that the meson is colorless. In addition to the six color-(different)-anticolor combination gluons you can have, there are two (but not three) others that are allowable. (ARMY1987 / TIMOTHYRIAS OF WIKIMEDIA COMMONS)
但是也不是三个。关键原因是：由于强力的特殊特性，还有更多的限制条件。无论您将哪种颜色用作单色的反色组合，都需要使用不同颜色的负彩色反色组合才能拥有真正的胶子。
让我们通过示例向您展示它的外观。假设您想要一个既具有红色抗蓝又具有蓝色抗蓝特性的胶子。（实际的颜色选择本身是任意的。）您可以这样做，但是您需要的组合是：
[（红色-红色）-（蓝色-蓝色）] /√（2），
那里有一个负号。现在，您需要另一个胶子，但是它必须独立于您已经使用的组合。没关系;我们可以写下一个！看起来像这样：
[（红色-红色）+（蓝色-蓝色）-2 *（绿色-绿色）] /√（6）。
我们是否可以写下第三个组合，它们独立于这两个组合？
> When you have three color/anticolor combinations that are possible and colorless, they will mix together, producing two 'real' gluons that are asymmetric between the various color/anticolor combinations, and one that's completely symmetric. Only the two antisymmetric combinations result in real particles. (E. SIEGEL)
是的，但这违反了我们刚才谈到的另一个重要规则。您可以写下以下形式的第三种胶子：
[（红色-红色）+（蓝色-蓝色）+（绿色-绿色）] /√（3），
独立于前两个组合。换句话说，如果允许的话，我们将获得第九胶子！但是，您可能已经猜到了，事实并非如此。所有颜色-反色成分均为正值；否定颜色和反色组合不存在，这对应于这种假设的胶子不是物理的。对于三种可能的颜色-反色组合，您只能具有两个带有负号的独立配置。第三个永远是积极的。
用群论术语（对于那些在物理或数学上有足够高级的人），胶子矩阵是无迹的，这是is组U（3）和特殊unit组SU（3）之间的差。如果强力是由U（3）而不是SU（3）控制的，则将有一个额外的，无质量的，完全无色的胶子，其粒子的行为类似于第二个光子！不幸的是，我们宇宙中只有一种类型的光子，通过实验告诉我们只有8个胶子，而不是您可能期望的9个。
> The particles and antiparticles of the Standard Model are predicted to exist as a consequence of the laws of physics. Although we depict quarks, antiquarks and gluons as having colors or anticolors, this is only an analogy. The actual science is even more fascinating. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
夸克和反夸克具有三种颜色和三种反色，正是这些颜色-反色颗粒的组合在它们之间介导了强大的核力：胶子。六个胶子简单明了，具有颜色-反色组合，其反色与所讨论的颜色不同。另外两个是颜色的组合-反色彼此混合，并且它们之间有一个负号。唯一允许的其他组合是无色的，并且不能满足成为物理粒子所必需的标准。结果，只有8个。
值得注意的是，标准模型在群论的数学中得到了很好的描述，其强大的力量与该特定数学分支的预测完全吻合。与重力（仅具有一种类型的吸引性正电荷）或电磁体（具有吸引或排斥正电荷和负电荷）不同，彩色电荷的特性要复杂得多，但可以完全理解。仅需八个胶子，我们就可以将整个夸克和反夸克在物理上的所有可能组合放在一起。
《爆炸开始》由伊森·西格尔（Ethan Siegel）博士撰写，他是《超越银河》和《迷航学：从Tricorders到Warp Drive的星际迷航科学》的作者。
(本文由闻数起舞翻译自Ethan Siegel的文章《Why Are There Only 8 Gluons?》，转载请注明出处，原文链接：https://medium.com/starts-with-a-bang/why-are-there-only-8-gluons-8330a6b71f9e)
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