Съществуват няколко разновидности на кварка: вероятно има поне шест „аромата“, като всеки „аромат“ се явява в три цвята — червен, зелен и син. (Трябва да отбележим, че това са просто названия: кварките са много по-малки от дължината на видимата светлина, така че нямат цвят в обикновения смисъл.) Изглежда, просто съвременните физици проявяват повече въображение и при наименоването на нови частици и явления вече не се ограничават с гръцкия! Един протон или неутрон се състои от три кварка, по един от всеки цвят.
Вече знаем, че нито атомите, нито протоните и неутроните в тях са неделими. Сега въпросът е: какво представляват истинските елементарни частици, тези основни градивни тухлички, от които е направено всичко? След като дължината на светлинната вълна е много по-голяма от размерите на един атом, ние не можем да се надяваме да „видим“ частите на един атом по обикновен начин. Налага се да използваме нещо с много по-малка дължина на вълната. Както видяхме в последната глава, квантовата механика ни казва, че всички частици са всъщност вълни и че колкото по-голяма е енергията на една частица, толкова по-къса е дължината на съответната вълна.
И така най-добрият възможен отговор на нашия въпрос зависи от това, колко голяма е енергията на частицата, с която разполагаме, защото това определя колко малка е скалата на дължините, която ще използваме. Тези енергии на частиците обикновено се измерват в единици, наречени електронволтове (еУ). (При експериментите на Томсън с електрони видяхме, че той използва електрично поле, за да ги ускори. Енергията, която придобива един електрон от електрично поле един волт е известна като електронволт.) През XIX в., когато единствените енергии на частици, които хората знаеха как да използват, бяха малките енергии от порядъка на няколко електронволта, получени в резултат на химични реакции като горенето например, се смяташе, че атомите са най-малките градивни частици. При експеримента на Ръдърфорд алфа-частиците притежаваха енергия от милион електронволтове. Неотдавна се научихме как да използваме електромагнитни полета за придаване енергия на частиците първоначално от милиони, а по-късно от милиарди електронволтове. Така разбрахме, че частици, които сме смятали преди двадесетина години за „елементарни“, са фактически съставени от по-малки частици. А може би, стигайки до още по-високи енергии, ще установим, че от своя страна и те са съставени от още по-малки частици? Това, разбира се, е възможно, но ние разполагаме с теоретични основания да вярваме, че сме стигнали или сме твърде близо до познаването на крайните градивни тухлички на природата.
Като използваме дуализма вълна/частица, разгледан в последната глава, можем да опишем всички във Вселената, включително светлината и гравитацията, с помощта на частици. Те притежават едно свойство, наречено спин. Един възможен начин да си представим спина е да мислим за частиците като за пумпалчета, които се въртят около една ос. Това обаче би ни заблудило, тъй като квантовата механика ни казва, че частиците нямат добре дефинирана ос. Това, което спинът действително ни казва, е как изглежда частицата от различни посоки. Частица със спин 0 е като точица: тя изглежда еднаква от всички посоки (фиг. 5.1–1). А частица със спин 1 е като стрелкичка: тя изглежда различно от различни посоки (фиг. 5.1–2). Частицата изглежда една и съща само ако я завъртим на пълен оборот (360°). Частица със спин 2 е като двупосочна стрелка (фиг. 5.1–3): тя изглежда по същия начин, ако я завъртим на половин оборот (180°). Подобно частиците с по-голям спин изглеждат по същия начин, ако ги завъртим на по-малки части от един пълен оборот. Всичко това сякаш е много просто, но забележителен факт е, че има частици, които не изглеждат по същия начин, ако ги завъртим само на един пълен оборот: с тях трябва да направим два пълни оборота! За такива частици казваме, че имат спин 1/2.
Всички познати частици във Вселената могат да се разделят на две групи: частици със спин 1/2, които съставляват веществото във Вселената, и частици със спин 0, 1 и 2, които, както ще видим, пораждат взаимодействия между материалните частици.
Материалните частици се подчиняват на т.нар. принцип за забраната на Паули. Той е открит през 1925 г. от австрийския физик Волфганг Паули, за което му бе присъдена Нобелова награда за 1945 г. Паули е прототипът на физика-теоретик: говори се, че дори самото му присъствие в някой град е достатъчно да провали експериментите! Според принципа за забраната на Паули две еднакви частици не могат да съществуват в едно и също състояние, т.е. те не могат едновременно да заемат едно и също място и да имат една и съща скорост в границите, наложени от принципа на неопределеността. Принципът за забраната има решаващо значение, тъй като той обяснява защо материалните частици не колапсират до състояние на твърде голяма плътност под влияние на силите, пораждани от частиците със спин 0, 1 и 2: ако положенията на материалните частици са много близки, техните скорости трябва да се различават, което значи, че те няма дълго да се задържат на едно и също място. Ако светът бе създаден без принципа на Паули, кварките не биха образували отделни, добре дефинирани протони и неутрони. Нито пък те биха образували заедно с електроните отделни, добре дефинирани атоми. Те щяха да колапсират и да се получи една приблизително еднородна, гъста „супа“.