5. Елементарни частици и природни сили
Според Аристотел цялата материя във Вселената се състои от четири основни елемента: земя, въздух, огън и вода. Върху тези елементи действат две сили: гравитацията, тенденцията на земята и водата да потъват, и левитацията, тенденцията на въздуха и огъня да се издигат. Това разделение на съдържанието на Вселената на материя и сили се използва и днес.
Според Аристотел материята е непрекъсната, т.е. можем да делим един къс материя на все по-малки и по-малки парченца безкрай и пак няма да стигнем до зрънце материя, което да не може да се дели по-нататък. Някои гърци обаче, например Демокрит, твърдели, че на материята е присъща зърнистостта и че всичко е изградено от голям брой различни по вид атоми. (Гръцката дума атом означава неделим.) Векове наред спорът продължил без някакво реално доказателство за едната или другата страна, докато през 1803 г. английският химик и физик Джон Далтон отбелязал факта, че химичните съединения винаги се свързват в определени пропорции, което може да се обясни с групирането на атоми и образуването на т.нар. молекули. Но спорът между двете философски школи не бил окончателно решен в полза на атомистите чак до началото на нашия век.
Едно от съществените физически доказателства бе дадено от Айнщайн. В своя труд, написан през 1905 г., няколко седмици преди знаменития труд за специалната теория на относителността, Айнщайн отбелязва, че т.нар. Брауново движение — неправилното, случайно движение на прашинките, суспендирани в течност — може да се обясни като сблъскване на атомите на течността с частиците на праха.
По това време вече съществували подозрения, че атомите въпреки всичко не са неделими. Няколко години по-рано изследователят от Тринити Колидж в Кеймбридж Дж. Дж. Томсън демонстрирал съществуването на материална частица, наречена електрон, чиято маса е под 1/1000 от масата на най-лекия атом. Той използвал система, подобна на съвременния кинескоп: нагорещена до червено метална жичка освобождава електроните, а понеже те са заредени отрицателно, може да се използва електрично поле, което да ги ускорява към екран с фосфорно покритие. Когато се ударят в екрана, се генерират светлинни проблясъци. Скоро се установило, че тези електрони би трябвало да идват от самите атоми и през 1911 г. английският физик Ърнест Ръдърфорд най-сетне показал, че атомите на веществото наистина имат вътрешен строеж: те са изградени от съвсем мъничко, положително заредено ядро, около което обикалят електрони. Той стигнал до това заключение, като анализирал начина, по който алфа-частиците, които са положително заредени и се освобождават от радиоактивни атоми, се отклоняват при сблъскването си с атоми.
Първоначално се смятало, че атомното ядро е изградено от електрони и различен брой положително заредени частици, наречени протони от гръцкото „първи“, защото се приемало, че това са фундаменталните градивни елементи на материята. През 1932 г. обаче един колега на Ръдърфорд от Кеймбридж, Джеймс Чадуик, открил, че ядрото съдържа друга частица, наречена неутрон, който има почти еднаква маса с протона, но е без електричен заряд. За това откритие Чадуик получил Нобелова награда и бил избран за магистър в Гонвил енд Киз Колидж — Кеймбридж (колежът, в който сега съм сътрудник). Впоследствие той се отказал от степента магистър поради разногласия със сътрудниците. В колежа се водели ожесточени спорове от времето, когато завърнали се от войната млади сътрудници гласували вот на недоверие на много от старите сътрудници, които отдавна били в колежа. Това е било преди моето време; аз постъпих в колежа през 1965 г. и хванах края на ожесточенията, когато подобни несъгласия заставиха друг магистър, Нобелов лауреат — сър Нейвил Мот, да напусне.
Допреди двадесетина години се смяташе, че протоните и неутроните са „елементарни“ частици, но експериментите, в които протони се сблъскваха с други протони или с електрони при високи скорости, показаха, че фактически те се състоят от по-малки частици. Тези частици бяха наречени кварки от физика Мюрай Гел-Ман (Калифорнийски технологичен институт), който получи Нобелова награда за 1969 г. за работата си върху тях. Названието идва от неточен цитат на фразата „Три кварка за Мъстър Марк!“ на Джеймс Джойс. Предполага се думата кварк да се произнася като кварт, накрая с к вместо т, но обикновено се свързва с ларк (чучулига).