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一种理解质子与中子本质的方式是，认识到它们也不是最基本的。伟大的核物理学家、科普作家乔治·伽莫夫（George Gamow）对质子与中子的发现感到非常兴奋，他认为这是最后的“边界”，并认为不会存在更小的子结构。他如此说：[1]
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取代经典物理学中一大堆”不可分的”原子概念的是，我们仅仅保留三种本质上不同的实体：质子、电子与中子……因此，我们似乎已经触及到了有关构成物质基本元素研究的底线。
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这种言辞多少有点目光短浅，不过更确切地说，它也没目光短浅到极致。确实存在更深层的子结构，即质子和中子更基本的组分，然而这些基本元素却很不容易被找到。想要找到它们，我们就必须研究比质子和中子更小的尺度，而这需要比伽莫夫作出他那不准确预言的时代已有技术更高的能量或者更小的探测器。
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如果我们想要进入原子核内部，在一费米的尺度上看质子与核子——这比原子核本身约小10倍，那么我们就要遇到默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）与乔治·茨威格（George Zweig）假设存在于核子内部的事物了。盖尔曼创造性地把这些单位命名为“夸克”——以他自己的说法，灵感来源于詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake ）中的语句（“向马克老大三呼夸克”）。核子中的上夸克与下夸克是更小尺度上更基本的事物（图5-4中包含了其中的两个上夸克与一个下夸克），一种被称为强相互作用力（又称强核力，strong nuclear force）的力把它们结合在一起，形成了质子和中子。尽管名称泛泛，然而强相互作用力却是自然界中一种特别的作用力，它与已知的电磁相互作用力、引力相互作用力，以及我们稍后将要讨论的弱相互作用力（又称弱核力，weak nuclear force）在同一层次上。
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强相互作用力
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又称强核力，是作用于强子之间的力，是质子、中子结合成原子核的作用力。后来进一步得知，强相互作用力是夸克之间的相互作用力。
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强相互作用力被如此命名是因为它的作用确实很强——我的一位物理学家同僚如此说过。即便这听上去有些幼稚，然而这的确是事实。这就是夸克总以例如质子与中子这种结合体的形式出现的原因，因为其他直接影响都被这种强相互作用力抹平了。这种作用力太过强大，以至于如果缺少其他影响，那些强烈地相互作用着的组分就不可能被发现。
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图5-4 质子的电荷由三个价夸克（valence quarks，即两个上夸克与一个下夸克）携带。
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我们永远不可能分离出单独的夸克。似乎所有的夸克都携带着一种胶水，它们在长程作用时会变得黏稠无比——传递强相互作用力的粒子出于这个原因被称为胶子（gluon）。你可以想象一条橡皮圈，只有当你拉伸它的时候才有弹性力的出现。在质子或中子的内部，夸克可以自由运动，但当你试图把一个夸克移出很长的距离时，就需要额外的能量。
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即便这种解释是完全正确、合理的，在使用这种解释时也要极为小心。人们不由得把夸克想象为一些被束缚在一个口袋里的东西，存在一些真实有形的障碍导致它们不能从中脱离。事实上，确实有一个描述原子和系统的模型在本质上把质子和中子精确地处理为这个样子。然而，这个模型与我们稍后将要提到的其他模型不同，它并不是针对真实发生的事情提出的假说。它的目的仅仅是为了在某个范围的尺度和能标上进行计算，那些范围内的力太过强大，我们熟悉的方法都不适用于它。
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质子与中子都不是香肠，质子中的夸克并没有包围着它的“人造肠衣”。质子是在强相互作用力的作用下，由三个夸克稳定结合而成的。在强相互作用力的作用下，三个小夸克运动一致，看上去像同一个事物，即质子或者中子 。
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另一个有关强相互作用力与量子力学的重要结果，是质子或中子中创造出的额外虚粒子（virtual particle）。量子力学允许这种粒子的存在，它们并不能长久地存在，然而在特定的时间都可以提供能量。按照爱因斯坦著名的质能方程E=mc2 ，质量等同于质子与中子中的能量，并非仅仅由夸克本身携带，还涉及那些把它们结合在一起的束缚。强相互作用力就像把两个球捆绑在一起的橡皮圈，它本身也携带能量。“解放”出这些内蕴的能量就允许了新粒子的产生。
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虚粒子
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由质子或中子的相互作用所创造。虚粒子并不能长久地存在，但在特定的时间点上可以提供能量。
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只要新粒子的净电荷为零，质子中的能量可以产生新粒子这一事实就不违背任何已知的物理定律。例如，产生虚粒子的时候，带有正电荷的质子不可能突变为中性粒子。
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这意味着，任何时候只要载有非零电荷的夸克产生，就必然有与夸克质量相同但是带有相反电荷的反夸克（antiquark）粒子产生。事实上，夸克-反夸克对都可以产生或者湮灭。例如，夸克与反夸克都可以产生光子（传递电磁相互作用力的粒子），光子又可以产生另一个粒子-反粒子对（见图5-5）。它们的总电荷为零，即便粒子对可以产生或者湮灭，质子内部的总电荷却永远不变。
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图5-5 能量足够高的夸克与反夸克可以湮灭而转变成能量，进而产生其他带电粒子及其反粒子。
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除了夸克与反夸克之外，包含着被创造出虚粒子的质子海（proton sea）也包含胶子。胶子是传递强相互作用力的粒子，这个过程类似于带电粒子之间通过交换光子来传递电磁相互作用力。胶子（总共有8个不同的类别）在传递强相互作用力时也有类似的表现。它们在强相互作用力作用的载荷粒子之间交换，而这种交换的过程使夸克之间相结合或者相排斥。
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然而，与光子不同，胶子本身受强相互作用力的支配，而光子本身不带电荷，所以并不直接受到电磁相互作用力的作用。因此，光子可以传递长程作用力，所以我们才可以在数里之外接收到电视信号；而胶子如夸克一样，在相互作用的过程中并不能行进太远。胶子只能在小如质子的尺度上结合事物。
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如果我们以教科书式的严谨目光来审视质子且仅仅关注带有质子荷的元素，就会认为质子主要由三个夸克组成。然而，质子所包含的东西远比三个对其电荷有贡献的价夸克（两个上夸克与一个单独的下夸克）要多。在对质子荷有贡献的三个夸克之外，质子的内部是一片虚粒子的海洋，它们包括夸克-反夸克对与胶子。越接近质子，就能找到越多的虚夸克-反夸克对与胶子，真实的分布取决于我们探测它时所使用的能量。今天，我们把质子对撞在一起的能标上，可以找到它们的精确能量数值，这些能量由各种不同类型的虚胶子、夸克与反夸克携带。对决定电荷而言它并不重要，因为这些虚粒子的总电荷为零。然而正如我们稍后将要看到的，当需要得知质子中精确存在的事物以及携带能量的媒介是什么时，它们对预测质子对撞的结果来说，却是必要的（图5-6描绘了质子中更复杂的结构）。
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