Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:
1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;
2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света);
3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;
4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее;
5) точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя, во-первых, найти истину безотносительно от измерительного прибора; во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или с волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX века.
В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное у Демокрита (от греч. «atomos» — неделимый), которым была названа мельчайшая единица материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит из одинаковых атомов.
Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10-8 см, а ядра — 10-12 см. Масса протона больше массы электрона примерно в 2 000 раз. Плотность ядра — 1014 г/см3. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий, в миллионы раз превосходящих энергию химических процессов.
В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Элементарные частицы можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Английский ученый П. Дирак предсказал существование античастиц с той же массой, что и частицы, но с зарядом противоположного знака. На ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) в 1932 г. и антипротоны в 1955 г. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица — античастица».
Изучают свойства атомов и элементарных частиц на гигантских ускорителях (первый построен в 1929 г. в Англии), в которых частицы двигаются по спирали. Современный ускоритель представляет собой установку в полкилометра в окружности и строятся ускорители еще более мощные.
Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» (по Аристотелю), которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью.
Понятия «химический элемент» и «элементарная частица» свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово «элемент» (неделимый), и для частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения — «кварк». Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части.
Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. В 1994 г. обнаружен последний из шести разновидностей самый тяжелый кварк. Будет ли конец возможности расщепления, определит прогресс научного знания. Пока нижним теоретически предсказанным уровнем считается уровень струн, от которых произошли и элементарные частицы, и физические поля.