宇宙最令人费解的特征之一是强核力。每个质子或中子类粒子内部都有三个夸克，每个夸克都有自己的颜色。三种颜色加起来就是无色组合，这似乎是宇宙的必然要求。你可以有三个夸克、三个反夸克（具有相应的反色），或者夸克-反夸克组合：颜色-反色相互抵消。最近，人们发现四夸克（有两个夸克和两个反夸克）和五夸克（有四个夸克和一个反夸克）也能产生无色量子态。
但尽管自然界允许存在三种颜色和三种反色，但传递强力的粒子——胶子——只有八种。你可能会认为你能想到的每一种颜色-反色组合都是允许的，总共有九种，但我们的物理宇宙遵循不同的规则。以下是为什么我们只有八个胶子的不可思议而令人惊讶的物理原理。
点质量严重弯曲的时空图，对应于位于黑洞事件视界之外的物理场景。在物理学中，引力只有一种电荷：正电荷（质量-能量），它总是具有吸引力。在电磁学中，有两种基本电荷，而在强相互作用中，规则更加复杂。
在物理学中，只有几种基本力，每种力都受其自身规则支配。在引力中，只有一种电荷：质量/能量，它们总是具有吸引力。质量/能量没有上限，因为最坏的情况是产生一个黑洞，这仍然符合我们的引力理论。每个能量量子——无论它有静止质量（如电子）还是没有静止质量（如光子）——都会弯曲空间结构，从而引起我们感知到的引力现象。如果引力本质上是量子的，那么只需要一个量子粒子，即引力子，就可以承载引力。
电磁力是另一种在宏观尺度上很容易出现的基本力，它为我们提供了更多的变化。电荷不是一种，而是两种：正电荷和负电荷。同性电荷相斥，异性电荷相吸。尽管电磁力背后的物理原理与引力背后的物理原理在细节上有很大不同，但它的结构仍然与引力一样简单明了。你可以拥有任意大小的自由电荷，没有任何限制，而且只需要一个粒子（光子）来介导所有可能的电磁相互作用。
与强核力相互作用的夸克和反夸克具有与红、绿、蓝（夸克）和青、洋红、黄（反夸克）相对应的色荷。任何无色组合，无论是红+绿+蓝、青+黄+洋红，还是适当的有色/反色组合，都是符合强力规则的。
但当我们继续研究强核力时，规则就变得完全不同了。强核力不是一种电荷（引力）或两种电荷（电磁力），而是有三种基本电荷，称为颜色。此外，颜色遵循的规则与其他力不同。它们包括：
· 你不能拥有任何类型的净电荷；只允许「无色」状态。
· 一种颜色加上它的反颜色是无色的；此外，三种独特的颜色（或反颜色）加在一起是无色的。
· 每个夸克含有一种颜色的净色荷；每个反夸克都分配有一种反颜色。
· 唯一具有颜色的其它标准模型粒子是胶子：夸克交换胶子，这就是它们形成束缚态的方式。
虽然这些规则非常复杂，与引力和电磁力的规则有很大不同，但它们实际上有助于我们理解质子和中子等单个粒子是如何结合在一起的。
随着实验和理论计算的不断进步，我们对质子的理解也越来越深刻，胶子、海夸克和轨道相互作用也开始发挥作用。然而，存在三种不同颜色的三种价夸克这一基本思想始终是故事的一部分。
首先，质子和中子本身——以及与它们类似的其他粒子，称为重子——必须由三个夸克组成，每个夸克都具有不同的颜色。对于每个粒子，如质子或中子，都有一个反粒子对应物，由三个反夸克组成，每个反夸克都包含不同的反颜色。每个时刻存在的每种组合都必须是无色的，这意味着夸克具有一种红色、一种绿色和一种蓝色；反夸克具有一种青色（反红色）、一种洋红色（反绿色）和一种黄色（反蓝色）反颜色。
和所有受量子场论支配的粒子一样，强核力的作用方式是通过粒子交换。然而，与引力或电磁力不同，强核力背后的理论结构要复杂一些。引力本身不会改变所涉及粒子的质量/能量，电磁力也不会改变相互吸引或排斥的粒子的电荷，而夸克（或反夸克）的颜色（或反颜色）每次发生强核力时都会发生变化。
强力之所以能如此运作，是因为存在「色荷」和胶子交换，强力是将原子核结合在一起的力。胶子必须由色荷/反色荷组合而成，强力才能发挥其应有的作用。这里展示了单个中子内夸克的胶子交换。
我们通过胶子交换来形象化地展示这一点。每个胶子都会被一个夸克（或反夸克）发射，并被另一个夸克（或反夸克）吸收，这与电磁学遵循的规则相同：每个光子都会被一个带电粒子发射，并被另一个带电粒子吸收。光子是传递电磁力的力传递粒子；胶子是传递强核力的粒子。
你可能马上就会想到，有九种胶子是可能的：每种可能的颜色-反颜色组合都对应一种。事实上，这几乎是每个人都预料到的，遵循一些非常简单的逻辑。有三种可能的颜色，三种可能的反颜色，每种可能的颜色-反颜色组合代表一种胶子。如果你将质子内部发生的事情形象化如下：
· 夸克发射出胶子，改变其颜色，
· 然后这个胶子被另一个夸克吸收，改变了它的颜色，
你会得到一幅清晰的图像，显示出六种可能的胶子发生的情况。
尽管胶子通常被看作弹簧，但重要的是要认识到它们携带色荷：一种色荷和反色荷的组合，能够改变发射或吸收它们的夸克和反夸克的颜色。控制这种相互作用的量子规则可能很复杂，但这些规则是无法打破的。
如果质子内部有三个胶子——一个红色、一个绿色、一个蓝色，总计无色——那么很明显，以下六个胶子交换可能会发生。
· 红夸克可以发射红反蓝胶子，将其变成蓝色，将蓝夸克变成红色，
· 或者红反绿胶子，将其变成绿色，同时将绿夸克变成红色，
· 或者蓝夸克可以发射蓝反红胶子，将其变成红色，而红夸克则变成蓝色，
· 或者蓝反绿胶子，它变成绿色，而绿夸克变成蓝色，
· 或者绿夸克可以发射绿反红胶子，使其变成红色，而红夸克则变成绿色，
· 或者绿反蓝胶子，使其变成蓝色，而蓝夸克也变成绿色。
这样就解决了六个「简单」胶子的问题。但其他胶子怎么办呢？毕竟，你难道不认为还会有一个红反红胶子、一个绿反绿胶子和一个蓝反蓝胶子吗？
单个质子和中子可能是无色实体，但它们内部的夸克是有色的。胶子不仅可以在质子或中子内的单个胶子之间交换，还可以在质子和中子之间进行组合，从而形成核结合。然而，每一次交换都必须遵循整套量子规则。
不幸的是，没有。假设你有：假设你有一个红反红胶子。红夸克会发射它，保持红色。但哪个夸克会吸收它？绿夸克不能，因为没有「反绿」部分来抵消它并使其变成无色，所以它可以从胶子中吸收红色。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种胶子，而其他三种胶子无法物理存在？
不完全是。虽然你不可能拥有纯粹的「红-反红」或「绿-反绿」，但你可以拥有部分红-反红、部分绿-反绿，甚至部分蓝-反蓝的混合状态。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）都会混合在一起；这是不可避免的。就像中性介子是上反上和下反下夸克的组合一样，其他允许的胶子是红-反红、绿-反绿和蓝-反蓝的组合。
夸克 (RGB) 与其相应反夸克 (CMY) 的组合始终确保介子是无色的。除了可以拥有的六种颜色-（不同）-反色组合胶子外，还有两种（但不是三种）其他组合胶子是允许的。
但也没有三种。关键原因是：由于强力的特殊性质，还有一个限制。无论你有一种单一颜色的（正）颜色-反颜色组合，你都需要一种不同颜色的负颜色-反颜色组合才能得到物理上真实的胶子。
让我们通过一个例子来展示一下。假设你想要一个同时具有红反红和蓝反蓝特性的胶子。（实际的颜色选择本身是任意的。）你可以这样做，但你需要的组合是：
· [(红色-反红色) — (蓝色-反蓝色)]/√(2)，
其中有一个负号。现在，你想要另一个胶子，但它必须独立于你已经使用的组合。没关系；我们可以写下一个！它看起来像这样：
· [(红色-反红色) + (蓝色-反蓝) — 2*(绿色-反绿)]/√(6)。
我们是否可以写下与这两种组合无关的第三种组合？
当你拥有三种可能且无色的颜色/反色组合时，它们会混合在一起，产生两种「真实」胶子，它们在各种颜色/反色组合之间不对称，而另一种胶子则完全对称。只有两种反对称组合才能产生真实粒子。
嗯，是的，但是它违反了我们刚刚谈到的另一条重要规则。你可以写下以下形式的第三个胶子：
· [(红色-反红色) + (蓝色-反蓝色) + (绿色-反绿)]/√(3)，
它与前两种组合无关。换句话说，如果这是允许的，我们就会有第九个胶子！但是，正如你可能已经猜到的，事实并非如此。所有颜色-反颜色成分都是正的；负的颜色-反颜色组合不存在，这对应于这个假设的胶子不是物理的。对于三种可能的颜色-反颜色组合，你只能有两种独立的配置，其中有负号；第三种永远是正的。
用群论术语来说（对于那些物理或数学水平足够高的人来说），胶子矩阵是无迹的，这是酉群 U(3) 和特殊酉群 SU(3) 之间的区别。如果强力由 U(3) 而不是 SU(3) 控制，就会有一个额外的、无质量的、完全无色的胶子，这种粒子的行为就像第二个光子！不幸的是，我们的宇宙中只有一种光子，实验告诉我们只有 8 个胶子，而不是你可能期望的 9 个。（或者，如果你想让数学家发疯，因为即使 3 × 3 = 9，我们正在处理的特定类型的乘法表明 3 ⊗︀ 3 = 8 ⊕ 1，而「1」在这里是物理上被禁止的。）
标准模型中的粒子和反粒子被预测为物理定律的结果。虽然我们将夸克、反夸克和胶子描述为具有颜色或反颜色，但这只是一种类比。实际的科学甚至更加令人着迷。
夸克和反夸克有三种颜色和三种反颜色，正是这些颜色-反颜色粒子的组合介导了它们之间的强核力：胶子。其中六个胶子是简单的，它们的颜色-反颜色组合具有与所讨论颜色不同的反颜色。另外两个是颜色-反颜色相互混合的组合，它们之间有一个减号。唯一允许的其他组合是无色的，这不符合成为物理粒子的必要标准。因此，只有 8 个。
令人惊奇的是，标准模型在群论数学中得到了如此完美的描述，强力与该数学分支的预测完全一致。与引力（只有一种吸引的正电荷）或电磁力（有吸引或排斥的正电荷和负电荷）不同，色荷的性质要复杂得多，但却是完全可以理解的。仅用八个胶子，我们就能将整个宇宙中所有物理上可能的夸克和反夸克组合在一起。
