Аристотель вважав речовина безперервним, - тобто будь-який шматок речовини можна нескінченно дробити на все менші і менші шматочки, так і не дійшовши до такої крихітної крупинки, яка далі б не ділилася. Однак, інші давньогрецькі філософи, наприклад, Демокріт, дотримувалися думки, що матерія має зернисту структуру і що все в світі складається з великого числа різних атомів. Проходили століття, але тривав бездоказовий суперечка як з тієї, так і з іншого боку. Суперечка ця тривав до початку нашого століття, поки англійський фізик Джозефер Томсон (1856-1940) не відчинив в 1897р. найпростішу елементарну частинку матерії - електрон. Незабаром стало ясно, що електрони повинні вилітати з атомів. У 1911р. англійський фізик Ернст Резерфорд. довів, що атоми речовини дійсно володіють внутрішньою структурою: вони складаються з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів.
Спочатку припускали, що ядро атома складається з електронів і позитивно заряджених частинок, які назвали протонами. Однак, в 1932 р Джеймс Чедвік виявив, що в ядрі є ще й інші частинки -нейтрони, маса яких майже дорівнює масі протона, але які не заряджені.
Як говорилося вище, частки можуть поводитися подібно хвилі (корпускулярно-хвильовий дуалізм). Відкриття хвильової природи електрона розкрило новий, своєрідний світ явищ. Витончена теорія електрона була запропонована видатним фізиком-теоретиком П.Дираком в 1928 р Ця теорія дає нам можливість визначити, коли електрон схожий з часткою, а коли - з хвилею. Одна з посилок теорії Дірака про електрон полягала в тому, що повинна існувати елементарна частинка, що володіє такими ж властивостями, як і електрон, але з позитивним зарядом. Така частка (або античастинка) була виявлена і названа позитроном. З теорії Дірака також випливало, що позитрон і електрон, взаємодіючи між собою (реакція анігіляції), утворюють пару фотонів, тобто квантів електромагнітного випромінювання. Можливий і зворотний процес електрон-позитрон. Крім того, електрон і позитрон можуть виникати і зникати не тільки спільно, а й окремо - при взаємних перетвореннях нейтронів і протонів або їх античастинок, тобто антинейтронів і антипротонів.
Характерне для хвильової механіки (механіка, яка розглядає частку як хвилю) імовірнісний розподіл розглянутих частинок (кожній частинці зіставляється хвильова функція, квадрат амплітуди якої дорівнює ймовірності виявити частинку в певному обсязі) відноситься не тільки до електрону. У разі атомних ядер воно дозволяє складовим ці ядра нуклона (тобто протонів і нейтронів) "просочуватися" через непереборний для них потенційний бар'єр назовні - етотак званий квантово-механічний тунельний ефект.
Ще років двадцять п'ять тому протони і нейтрони вважалися елементарними частинками, але експерименти по взаємодії рухомих з великими швидкостями протонів (нейтронів) і електронів показали, що насправді протони і нейтрони складаються кожен з трьох ще більш дрібних частинок. Вперше досліджував ці частинки американський фізик-теоретик М. Гелл-Манн. Він назвав їх кварками.
Відомо кілька різновидів кварків: припускають, що існує принаймні шість ароматів, яким відповідають u- кварк, d - кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк і t-кварк. Кварк кожного аромату може мати ще й один з трьох кольорів - червоний, зелений, синій. Це просто позначення і кольору в звичайному сенсі слова у них немає. Отже, ми дізналися, що ні атоми, ні знаходяться всередині атома протони з нейтронами не є неподільними, а тому виникає питання: "Що ж таке справжні елементарні частинки?"
Оскільки довжини світлових хвиль значно більше розмірів атома, у нас немає надії "побачити" складові частини атома звичайним способом. Для цієї мети необхідні значно менші довжини хвиль.
Згідно з квантовою механікою, всі частинки є ще й хвилями і чим вище енергія частинки, тим менше відповідна довжина хвилі. Отже, відповідь на поставлене питання залежить від того, наскільки висока енергія частинок, що є в нашому розпорядженні, тому що цією енергією і визначиться, наскільки малі масштаби тих довжин, які ми зможемо спостерігати.
Таким чином, розганяючи частки в прискорювачах (наприклад, в
синхрофазотроні) ми отримаємо значні енергії. взаємодіючи з
іншими частинками, ці високоенергетичні частинки дозволяють "заглянути
вглиб "тих частинок, які вважаються елементарними. Так фізики дізналися,
що частинки, які років двадцять тому вважалися елементарними, на самому
справі складаються з менших частинок. А що якщо при переході до ще більш високим
енергій виявиться, що і ці менші частинки, в свою чергу, складаються з
ще менших? Коли цей ланцюжок обірветься? Правда вчені, що працюють в
галузі фізики елементарних частинок, вважають, що наука вже володіє або
майже володіє відомостями про вихідні "цеглинки", з яких побудовано
все в природі: це кварки і електрони.
Тепер поговоримо про деякі характеристики елементарних
частинок. Вони мають обертальну характеристику - спін. Поняття про спині можна отримати з такого простого уявлення: візьмемо дитячу іграшку - дзига (дзигу), поставимо його вертикально і відпустимо, дзига падає. Але якщо дзига попередньо розкрутити, то він буде розташовуватися вертикально. Це говорить про те, що у тіла, що обертається з'являється нова властивість, нову якість - здатність зберігати в просторі напрямок осі обертання. Ось це нова властивість і характеризують поняттям спин.
Всі відомі частинки у Всесвіті в залежності від спина частинки можна розділити на дві групи: ферміони - частинки зі спіном 1/2, з яких складається будь-яка речовина у Всесвіті (нейтрони, протони, кварки, легкі частинки - лептони і важкі частинки - гіперонів) і бозони - частинки зі спіном 0, 1 і 2, які створюють сили, що діють між частинками речовини (фотони і частинки під загальною назвою - мезони). Частинки речовини (ферміони) підкоряються принципу заборони Паулі, відкритого в 1925 р австрійським фізиком Вольфгангом Паулі. Принцип Паулі говорить, що дві однакові частки не можуть існувати в одному і тому ж стані, тобто не можуть мати координати і швидкості, однакові з тією точністю, яка задається принципом невизначеності. Якщо частинки речовини мають дуже близькі значення координат, то їх швидкості повинні бути різними і, отже, вони не зможуть довго перебувати в точках з цими координатами. Якби при виникненні Всесвіту не враховувався принцип Паулі, кварки не могли б об'єднатися в єдині, чітко визначені частки - нейтрони і протони, а ті, в свою чергу, не змогли б разом з електронами утворити окремі, чітко визначені атоми. Без принципу Паулі всі ці частинки сколлапсировало б і перетворилися в більш-менш однорідне "желе".
У квантовій механіці передбачається, що всі сили або взаємодії між частинками речовини переносяться частинками з цілочисельним спіном, рівним 0, 1 або 2. Це відбувається наступним чином. Частка речовини, наприклад, електрон або кварк, випускає іншу частку, яка є переносником взаємодії (наприклад, фотон). В результаті віддачі швидкість частинки речовини змінюється. Потім частка-переносник "налітає" на іншу частку речовини і поглинається нею. Це зіткнення змінює швидкість другої частки, як ніби між цими двома частинками речовини діє сила. Частинки-переносники, якими обмінюються частки речовини, називаються віртуальними, тому що на відміну від "реальних" їх не можна безпосередньо зареєструвати за допомогою детектора частинок. Однак вони існують, тому що вони створюють ефекти, піддаються вимірюванню.
Частинки-переносники можна класифікувати на чотири типи залежно від величини переноситься ними взаємодії і від того, з якими частками вони взаємодіяли.
1. Перший різновид - гравітаційна сила. Це означає, що будь-які тіла, що мають масу, взаємодіють між собою. Це дуже слабка сила, що залежить від мас взаємодіючих тіл і від відстані між ними, яку ми взагалі не помітили б, якби не два її специфічних властивості: гравітаційні сили діють і на великих відстанях і завжди є силами тяжіння.
У квантово-механічному підході до гравітаційного поля вважається, що гравітаційна сила, що діє між двома частинками матерії, переноситься часткою зі спіном 2, яка називається Гравітоном. Гравітон не володіє власною масою і тому переноситься їм сила є дальнодействующей. Гравітаційна взаємодія між Сонцем і Землею пояснюється тим, що частинки, з яких складаються Земля і Сонце, обмінюються гравітонами. Незважаючи на те, що в обміні беруть участь лише віртуальні частинки, створюваний ними ефект безумовно піддається виміру, тому що цей ефект - Земля обертається навколо Сонця. Поки Гравітон .зарегістріровать не вдалося, вони залишаються гіпотетичними частками, але в їх існуванні фізики не сумніваються.
2. Наступний етап взаємодії створюється електромагнітними силами, які діють між електрично зарядженими частинками, але не відповідають за взаємодію таких незаряджених частинок як нейтрони. Електромагнітні взаємодії набагато сильніше гравітаційних: електромагнітна сила, що діє між двома електронами, приблизно в 10 40 раз більше гравітаційної сили. На відміну від гравітаційних сил, які є силами тяжіння, однакові по знаку заряди відштовхуються, різнойменно заряджені - притягуються. Переносниками електромагнітної взаємодії є фотони.
3. Взаємодія третього типу називається слабким взаимодейст-Вієм. Воно відповідає за розпад елементарних частинок, за радіоактивність і існує між усіма частинками речовини зі спіном 1/2, але в ньому не беруть участь частки зі спіном 0 і 2 -фотони і Гравітон.
У 1967 р англійський фізик-теоретик Абдус Салам і американський фізик з Гарварду Стівен Вайнберг одночасно запропонували теорію, яка об'єднувала слабка взаємодія з електромагнітним. Вайнберг і Салам висловили припущення про те, що на додаток до фотону існує ще три частки зі спіном 1, які разом називаються проміжним векторних бозоном і є переносниками слабкої взаємодії. Ці бозони були позначені символами W +. W - і Z 0. Маси бозонів передбачалися великими, щоб створювані ними сили мали дуже маленький радіус дії. Приблизно через десять років передбачення, отримані в теорії Вайнберга-Салама, підтвердилися експериментально.
4. Сильне ядерна взаємодія є взаємодія четвертого типу, яке утримує кварки всередині протона і нейтрона, а протони і нейтрони всередині атомного ядра. Переносником сильного взаємодії вважається частка зі спіном 1, яка називається глюонів. Глюони взаємодіють тільки з кварками і з іншими глюонами. У сильної взаємодії є одна незвичайна властивість - воно має конфайнментом (від англ. Confinement - обмеження, утримання). Конфайнмент полягає в тому, що при спробі розділити протон або нейтрон на окремі кварки виникають найпотужніші сили тяжіння, які не дозволяють це зробити. Наслідком конфайнмента є те, що ми не можемо спостерігати окремий кварк або глюон.
Після успішного об'єднання електромагнітного і слабкої взаємодій стали робитися спроби з'єднання цих двох видів з сильним взаємодією, щоб в результаті вийшла так звана теорія великого об'єднання. Було запропоновано кілька варіантів таких "великих" теорій.
Звичайно, в цій назві є деяка частка перебільшення: по-перше, всі запропоновані теорії насправді зовсім не такі вже й великі, а по-друге, вони просто не можуть об'єднати в собі всі чотири види взаємодій через те, що зовсім розглядають гравітаційного-ні взаємодії. Темне менш, такі теорії можуть стати певним кроком на шляху створення повної теорії об'єднання, що охоплює всі взаємодії. Теорії великого об'єднання "проливають світло" і на саме наше існування. Не виключено, що наше існування є наслідком освіти протонів. Така картина початку Всесвіту представляється найбільш природною. Земна речовина, в основному, складається з протонів, але в ньому немає ні антипротонів, ні антинейтронів. Експерименти з космічної-кими променями підтверджують, щось ж саме справедливо і для всього речовини в нашій Галактиці!
Як вже говорилося, теорії великого об'єднання не включають в себе гравітаційна взаємодія. Гравітаційні сили настільки малі, що їх впливом можна знехтувати, коли ми маємо справу з елементарними частинками або атомами. Однак той факт, що гравітаційні сили є дальнодействующими, та ще й завжди силами тяжіння, означає, що результати їх впливу завжди сумуються. Отже, якщо є достатня кількість речовини, то гравітаційні сили можуть стати більше всіх інших сил. Ось чому еволюція Всесвіту визначається саме гравітацією.
Більшість фізиків вірять в створення єдиної теорії, в якій всі чотири сили виявилися б різновидом однієї.