Na základě Newtonovy teorie gravitace a díky úspěchům vědeckých teorií došel francouzský vědec Pierre Simon Laplace k názoru, že všechny události jsou plně předurčeny - determinovány. Laplace se počátkem 19.století domníval, že existuje soubor vědeckých zákonů, na jejichž základě bude možno předpovědět vše, co se ve vesmíru odehraje. Bude k tomu postačovat pouze poznat stav vesmíru v určitém okamžiku.

K myšlence determinismu má mnoho lidí odpor, protože cítí, že omezuje Boha v jeho ovlivňování světa. Nicméně ještě počátkem 20.století představoval determinismus nejběžnější přístup k vědeckému popisu světa. Prvními náznaky, že tento přístup není není správný, se objevily v pracích britského vědce Rayleigha a sira Jamese Jeanse. Jejich výpočty vedly k absurdnímu výsledku, že každé horké těleso vyzařuje nekonečně mnoho energie.

Podle tehdy přijímaných fyzikálních zákonů mělo horké těleso vyzařovat elektromagnetické vlny rovnoměrně na všech frekvencích. Protože na velikost frekvence (tj. počet vln za sekundu) nebylo žádné omezení, znamenalo to, že celkový vyzařovaný výkon je nekonečný.

Německý vědec Max Planck, aby předešel tomuto výsledku, navrhl roku 1900, že světlo, paprsky X a další vlny nemohou být vysílány libovolným způsobem, ale pouze v určitých dávkách - kvantech. Každé kvantum obsahuje přesně určené množství energie, a to tím větší, čím byla vyšší frekvence vln. Nad určitou hranicí by tedy emise jednoho kvanta vyžadovala více energie, než kolik jí je celkem k dispozici. Proto je záření na vysokých frekvencích omezeno a tím i rychlost ztráty energie tělesa je konečná.

Kvantová hypotéza umožnila stanovit množství záření, které je vyzařováno z horkých těles. Její důsledky pro determinismus byly rozpoznány až v roce 1926, kdy německý vědec Werner Heisenberg formuloval princip neurčitosti.

Představme si, že chceme předpovědět budoucí polohu a rychlost částice. K tomu potřebujeme změřit současnou polohu a rychlost, čehož dosáhneme nejsnadněji osvětlením částice. Část světelných vln se odrazí od částice a umožní nám určit její polohu, a to s přesností, která je přibližně rovna délce vlny. Proto k přesnému změření potřebujeme vyslat krátkovlnné záření. Podle Planckovy hypotézy musíme užít nejméně jedno kvantum. Toto kvantum při srážce s částicí způsobí změnu jejího pohybu, kterou nelze předpovědět. Čím kratší vlnovou délku použijeme, tím více se změní rychlost částice. Oč přesněji určíme polohu, o to nepřesněji určíme rychlost. A naopak. Heisenberg ukázal, že součin nepřesnosti v poloze a nepřesnosti v rychlosti nemůže být nikdy menší, než určitá hodnota, která se dnes nazývá Planckova konstanta.

Princip neurčitosti znamenal konec Laplaceova snu o modelu plně determinovaného vesmíru, protože nelze zjistit přesně hodnoty výchozích veličin a předpovědět následující stav.

Stále si však lze představit, že soubor zákonů přesně popisujících vývoj vesmíru je dostupný Bohu, který je schopen určit jeho stav, aniž by jej ovlivnil. Vhodnější je však v takovéto teorii použít principu Occamovy břitvy - tj. z teorie odstranit všechny prvku, které nelze experimentálně ověřit. Tento princip se nazývá podle středověkého filozofa Williama z Occamu (asi 1285 - 1349), který požadoval, aby do teorií nebyly zaváděny žádné nadbytečné pojmy, aby tyto teorie byly formulovány co nejjednodušeji. Tento princip přivedl ve dvacátých letech 20.století Wernera Heisenberga, Erwina Schrodingera a Paula Diraca k vytvoření kvantové mechaniky založené na principu neurčitosti. V této teorii nemají částice přesně definované polohy a rychlosti, ale jsou popsány kvantovým stavem, který je určitou kombinací rychlosti a polohy.

Kvantová mechanika nepředpovídá jednoznačné výsledky všech pokusů, ale dává řadu možností a říká, s jakou pravděpodobností nastane daný výsledek. Kvantová mechanika zavádí do vědy prvek neurčitosti a náhodnosti. Albert Einstein se s tímto důsledkem nikdy plně nesmířil, ikdyž vlastní prací k němu výrazně přispěl. Nicméně on sám názor, že svět je řízen náhodou, nikdy nepřijal a své cítění vyjádřil slavným výrokem "Bůh nehraje v kostky."

Cíl své další práce po vytvoření obecné teorie relativity vyjádřil Einstein při řadě příležitostí. Patrně nejjasněji jej formuloval ve sborníku věnovaném J.C. Maxwellovy: "Přikláním se k víře, že fyzikové nezůstanou natrvalo uspokojeni s ... nepřímým popisem přírody, i kdyby byla (kvantová) teorie úspěšně spojena s předpoklady obecné relativity. Nakonec se vrátí zpět, aby se pokusili uskutečnit program, který by mohl být nazýván Maxwellovým programem: popsat fyzikální realitu pomocí polí, která bez jakýchkoliv singularit vyhovují soustavě parciálních diferenciálních rovnic."

Světlo jsme dosud interpretovali jako vlnu. Podle Planckovy teorie se však projevuje v některých případech jako částice, protože může být pohlceno nebo vysláno jen v přesně určených kvantech. Částice se na základě Heisenbergova principu neurčitosti v určitém smyslu chovají jako vlny, protože nelze přesně určit jejich polohy, ale pouze pravděpodobnost jejich výskytu v určitém prostoru. Kvantová mechanika je založena na teorii pravděpodobnosti, která vychází z teorie míry a integrálu. V kvantové mechanice se nehovoří o částicích nebo vlnách, ale pouze o výsledcích pozorování. Při popisu některých jevů se musí použít vlnový popis, u jiných jevů kvantový popis.

Pozoruhodným výsledkem uvedené duality je interference částic. Vlnění může být zesíleno nebo zeslabeno, pokud se setkají vrcholy vln, naopak se utlumí, jsou-li vlny v protifázi.

Díky dualitě vln a částic, kterou zavádí kvantová teorie, lze pozorovat také interferenci částic, která se projeví mimo jiné např. v tom, že jedna částice může projít současně dvěma štěrbinami.

Tvůrci kvantové mechaniky o kvantové mechanice říkají:

"Musíme si uvědomit, že zatímco chování nejmenších částic nelze jednoznačně popsat obvyklým jazykem, řeč matematiky je i nadále postačující... Myslím, že v tomto bodě se moderní fyzika s konečnou platností rozhodla pro Platóna." (Werner Heisenberg).

"Byla doba, kdy se v novinách psalo, že teorii relativity rozumí jen tucet vědců. Nevěřím, že tomu tak skutečně bylo. Možná, že kdysi relativitě rozuměl jediný člověk, a to ten, kdo ji pochopil dříve, než o ní napsal první článek. Ale jakmile si lidé jeho práci přečetli, mnoho jich relativitě nějakým způsobem porozumělo; určitě jich bylo více než tucet. Na druhé straně mohu myslím s určitostí říci, že kvantovou mechaniku nechápe nikdo." (Richard Feynman)

"Fyzikům nezbývá nic lepšího, než chodit s ustaranými tvářemi a smutně si stěžovat, že v pondělí, ve středu a v pátek musejí na světlo hledět jako na vlnu, zatímco v úterý, ve čtvrtek a v sobotu ho berou jako částici. A v neděli se prostě modlí..." (Babesh Hoffmann).

Interference částic se stala klíčem k pochopení struktury atomů. Počátkem 20.století se fyzikové domnívali, že atomy se podobají planetární soustavě. Elektrony, tedy záporně nabité částice, obíhají kolem kladně nabitého jádra. Přitažlivá síla mezi opačnými náboji měla udržovat elektrony na dráhách tak, jako gravitační síla řídí pohyb planet kolem Slunce.

Zákony elektromagnetického pole však tvrdí, že při změně směru pohybu elektronu musí docházet k úbytku jeho energie (pohyb nabité částice v elektrickém poli). V důsledku ztráty energie by se elektron musel pohybovat po spirále a nutně musel dopadnout na jádro. Částečně tento problém vyřešil roku 1913 dánský vědec Niels Bohr. Napadlo ho, že elektrony nemohou obíhat jádro v libovolné vzdálenosti. Jestliže se navíc předpokládalo, že se na každé orbitě smí pohybovat pouze jeden nebo dva elektrony, byl problém v zásadě vyřešen. Elektrony zaplní nejnižší dráhy směrem k jádru a další přiblížení k jádru pak již není možné. Omezení počtu elektronů v dráze je jedním z důsledků Pauliho vylučovacího principu.

Bohrův model dobře popsal strukturu atomu vodíku, který má jeden elektron. Nebylo však jasné, jak postupovat ve složitějších případech. Navíc předpis povolených drah postrádal hlubší zdůvodnění.

Kvantová mechanika tyto problémy odstranila. Elektron, pohybující se kolem jádra, lze považovat za vlnu, jejíž vlnová délka závisí na rychlosti. Délka některých drah je celočíselným násobkem vlnové délky elektronu, proto tyto dráhy (orbity) odpovídají Bohrovým povoleným drahám. Dráhy, u nichž vlnová délka není celočíselným násobkem vlnové délky elektronu, se ruší vzájemně maxima a minima vln a takové dráhy se v přírodě nerealizují.

Vlnovou částicovou dualitu lze znázornit pomocí tzv. součtů přes historie, které zavedl americký fyzik Richard Feynman. Podle jeho přístupu nemá částice pouze jedinou historii (křivku v prostoročase), jako je tomu v nekvantové teorii. Místo toho se předpokládá, že při pohybu z místa A do místa B prochází všemi křivkami, které v A začínají a v B končí. S každou křivkou je spojen soubor čísel, kdy první představuje velikost vlny, druhé polohu v cyklu (zda jde o maximum nebo minimum). Pravděpodobnost přechodu z místa A do místa B je dána složením vln příslušným všem křivkám. U většiny blízkých křivek (drah) se pozice v cyklu (tzv. fáze) v B rychle mění. To značí, že s nimi spojené vlny se vzájemně vyruší. Avšak určité soubory blízkých křivek (drah) nemají fázi příliš odlišnou a jejich vlny se proto nezruší. Tyto dráhy jsou totožné z Bohrovými orbitami.

Převedením výše zmíněné úvahy do matematické podoby je možné vypočítat správné orbity ve složitějších atomech a dokonce i v molekulách, kde jsou atomy vázány díky společným elektronům.

Struktura vesmíru se ve velkých měřítkách řídí Einsteinovou obecnou teorií relativity, která nebere v úvahu princip neurčitosti, protože uvažuje pouze slabá gravitační pole. Věty o singularitách naznačují. že přinejmenším ve dvou situacích by gravitační pole mělo být extrémně silné - v černých dírách a při velkém třesku. V těchto situacích je nutné uvažovat vliv kvantové gravitace. Tím, že klasická obecná teorie relativity předpovídá vznik oblastí s nekonečnou hustotou, předpovídá i svůj pád. Úplnou a konzistentní teorii sjednocující obecnou relativitu a kvantovou mechaniku však dosud nemáme.

Aristotelés se domníval, že všechna hmota ve vesmíru je složena ze čtyř základních prvků: země, vzduchu, vody a ohně. Tyto prvky jsou podrobeny dvěma silám: přitažlivosti (která nutí zemi a vodu padat dolů) a vznášivosti (která nutí vzduch a oheň stoupat vzhůru).

Aristotelés pokládal hmotu za spojitou, tedy hmotu je možno dělit bez omezení na menší a menší části. Stoupenci Demokritovy školy se domnívali, že hmota je zrnitá a skládá se z velkého poštu atomů (atomos = nedělitelný).

Britský chemik a fyzik John Dalton v roce 1803 se ve své práci snažil vysvětlit, proč se výchozí složky chemických sloučenin slučují v přesně daných poměrech. Uvědomil si, že základními jednotkami sloučenin by mohly být molekuly, vznikající spojením několika atomů.

S konečnou platností byla hypotéza potvrzena až ve 20.století. Přispěl k tomu Albert Einstein prací o Brownově pohybu z roku 1905. Einstein ukázal, že pohyb prachových zrn v kapalině je způsoben srážkami s částicemi tekutiny.

Už tehdy se objevila úvaha, že atomy jsou dále dělitelné. J.J. Thomson, člen Koleje nejsvětější Trojice v Cambridgi. dokázal existenci částice nazvané elektron. Při svých pokusech použil jako zdroj elektronů rozžhavené kovové vlákno a pomocí elektrického pole elektrony urychloval a směroval na stínítko pokryté fosforeskující vrstvou. Brzy se prokázalo, že elektrony vyletují přímo z atomů kovového vlákna. Roku 1911 se britskému fyzikovi Ernestu Rutherfordovi podařilo objasnit strukturu atomů. Atomy jsou tvořeny velmi hmotným jádrem s kladným elektrickým nábojem, kolem něhož obíhají záporně nabité elektrony. K tomuto závěru Rutherford došel studiem pohybu částic alfa (jader hélia), jejichž zdrojem jsou radioaktivní atomy. (viz dodatek 1)

V roce 1932 zjistil Rutherfordův kolega James Chadwick, že jádro neobsahuje pouze protony. Nová částice měla mít přibližně stejnou hmotnost jako proton, ale neměla být elektricky nabitá, proto ji Chadwick nazval neutron. Za svůj objev získal Nobelovu cenu a stal se rektorem Gonvillovy a Caiovy koleje.

Později se Chadwick v důsledku neshod s kolegy vedení koleje vzdal. V koleji tehdy vznikla ostrá rozepře, když její mladí členové, vracející se z války, nezvolili řadu starších kolegů do kolejních funkcí, které zastávali dlouhou dobu.

Proton a neutron byly do konce 60.let 20.století považovány za elementární částice. Experimenty, při nichž se značně urychlené protony a neutrony srážely s elektrony, naznačovaly, že se protony a neutrony skládají z menších částic. Murray Gell-Mann z Kalifornské techniky je nazval kvarky. Za práce o kvarcích dostal v roce 1969 Nobelovu cenu.

Záhadné pojmenování má svůj původ v citaci z románu Jamese Joyce: "Three quarks for Muster Mark"! (James Joyce: Finnegans Wake, 1939). Slovo "quark" prý Joyce převzal z německého "der Quark" - tvaroh. Podle jazykovědců se tento výraz dostal do němčiny zkomolením původního slovanského slova. Joyce upoutalo především mnoho významů, které slovo "Quark" v němčině má. Často se používá ve významu "hloupost, nesmysl, malichernost", a právě takové slovo Joyce potřeboval. (viz dodatek 2).

Počet kvarků, které dnes většina fyziků považuje za skutečně základní částice, současné teorie nedokáží jednoznačně stanovit. Jednou z možností, jak experimentální cestou stanovit nejvyšší možný počet druhů kvarků, je např. studium zániku určitých částic. Částice intermediální boson Z se rozpadá na kvarky a leptony (mezi leptony patří elektron, pozitron, neutrina atd.). Čím vyšší bude počet základních částic, tím více rozpadových procesů se může uskutečnit a tím bude i kratší průměrná doba života této částice. Nezávislý odhad poskytuje také kosmologie. Ukazuje se, že vesmír by se patrně vyvinul do jiné podoby, kdyby počet základních částic byl příliš velký, protože např. zastoupení hélia by bylo v kosmu výraznější.

Protony a neutrony jsou tvořeny vždy třemi kvarky, každým jiné barvy. Např. proton je složen ze dvou kvarků "u" a jednoho kvarku "d", neutron ze dvou kvarků "d" a jednoho kvarku "u".

Podle kvantové mechaniky mají částice svojí vlnovou povahu a vlnová délka je tím kratší, čím je vyšší energie částice. Pro zvýšení přesnosti měření je tedy nutné používat co nejvyšších energií.

Vlnová dualita umožňuje popsat hmotu, záření a gravitaci pomocí částic. Jedním ze základních kvantových čísel, které popisuje částice, je spin. V nekvantové fyzice nemá toto číslo žádný význam, ale lze si je velmi zhruba představit jako vnitřní rotační moment částice (samozřejmě částice žádnou rotační osu nemají). Spin nás pak informuje, jak částice vypadá z různých směrů.

Částici s nulovým spinem si můžeme představit jako bod, který při libovolném otočení kolem osy vypadá stejně. Částici se spinem 1 si lze představit jako šipku, která vypadá stejně při otočení o 360 stupňů. Částici se spinem 2 si lze představit jako oboustrannou šipku, která vypadá stejně při otočení o 180 stupňů.

Matematicky řečeno, se na spin můžeme dívat jako na transformaci zvanou otočení, která spolu s inverzní transformací otočení a s nulovou transformací tvoří grupu (tedy jsou definovány operace skládání transformací, které splňují určité vlastnosti).

Existují částice i se spinem 1/2, tedy si je lze představit jako objekt, který vypadá stejně až po dvou otočeních o 360 stupňů. Číselná hodnota spinu závisí na jednotkách, které jsme zvolili. Přesněji bychom měli říci, že možným hodnotám spinu elementárních částic lze jednoznačně přiřadit čísla 0, 1/2, 1, 3/2, atd. Nejdůležitějšími zástupci částic se spinem 1/2 jsou elektrony, neutrina (souhrnně leptony), protony a neutrony (souhrnně nukleony). Celočíselný spin mají mezony (0), foton (1) a dosud nepozorovaný graviton (2).

Vědci zjistili, že částice se spinem 1/2 tvoří látku vesmíru a silové působení mezi částicemi látky zprostředkují částice se spinem 0, 1 a 2. Charakteristickou vlastností částic se spinem 1/2 je, že jejich chování se řídí takzvaným vylučovacím principem, který objevil v roce 1925 rakouský fyzik Wolfgang Pauli a v roce 1945 za svůj objev dostal Nobelovu cenu.

Podle vylučovacího principu se dvě částice téhož druhu v žádném kvantovém systému nemohou nacházet ve stejném stavu. Proto se působením přitažlivých sil hmota nedostane do stavu s vysokou hustotou. V atomu např. elektrony mají stejný spin, proto vždy nejvýše dva se mohou nacházet na stejné dráze (orbitu), aby se odlišovaly energií. Částice s poločíselným spinem jsou tedy nesnášenlivé. Kdyby vylučovací princip neplatil, kvarky by nemohly tvořit oddělené protony a neutrony a ty by pak nemohly společně s elektrony vytvářet atomy. Hmota by se zhroutila do téměř jednolité husté "polévky".

Vlastnosti elektronů a dalších částic se spinem 1/2 byly vysvětleny v roce 1928 Paulem Diracem. Diracova teorie byla slučitelná jak s kvantovou mechanikou, tak se speciální teorií relativity. Podala matematické zdůvodnění velikosti spinu elektronu. Kromě toho Paul Dirac předpověděl existenci částice s opačným nábojem - pozitron. Objev pozitronu v roce 1932 jeho teorii potvrdil a Paul Dirac za svoji teorii získal téhož roku Nobelovu cenu.

Každá částice má svoji antičástici. Při vzájemné srážce tyto částice anihilují - změní se ve fotony.

Předpokládejme nyní, že částice s poločíselným spinem, která tvoří látku (elektron nebo kvark) vyšle částici se spinem 0, 1 nebo 2, zprostředkující silové působení. Zpětný ráz vzniklý v okamžiku vyslání silové částice (podle zákona akce a reakce) změní rychlost původní částice. Částice silového působení se může srazit s jinou částicí látky, která ji pohltí. Při kolizi je druhá částice odstrčena, jako by mezi oběma látkovými částicemi působila síla. Tento příměr zachycuje pouze odpudivou interakci. Přitažlivá interakce funguje obdobně, ikdyž ji nelze tímto způsobem znázornit.

Částice přenášející silové interakce nepodléhají vylučovacímu principu. Počet částic, které mohou být vyměněny mezi látkovými částicemi, není omezen. Těžké interakční částice jsou částicemi krátkého dosahu, protože se "obtížněji" vytvářejí a vyměňují. Silové částice, které nemají klidovou hmotnost (nelze je zabrzdit), jako jsou fotony, přenášejí síly dalekého dosahu.

Částicím, které zprostředkovávají silové působení, se říká virtuální (zdánlivé), protože je nelze přímo zachytit měřícími přístroji. Svoji existenci prokazují měřitelnými projevy. Za určitých předpokladů mohou být tyto částice pozorovány, projevují se jako vlny (světelné a gravitační vlny).

Částice silového působení dělíme do čtyř skupin podle intenzity jejich silového působení. Toto dělení je ovšem velmi umělé a většina fyziků doufá, že bude nalezena sjednocující teorie, která všechny síly pojme jako různé projevy jediné interakce. (viz dodatek 3).

Prvním druhem síly je gravitace. Jde o univerzální sílu, jejímuž vlivu podléhají všechny částice v závislosti na své hmotnosti. Ve srovnání s ostatními druhy jde o sílu nejslabší. Působí však na velké vzdálenosti a je vždy přitažlivá. Podle kvantové mechaniky je zprostředkována částicí se spinem 2 - gravitonem.

Druhým druhem je elektromagnetická síla, která působí na elektricky nabité částice, jako jsou elektrony a kvarky. Elektromagnetická síla nepůsobí na částice bez náboje. Je asi 10^42 silnější než gravitace. Mezi dvěma částicemi se stejným nábojem působí jako odpudivá síla, mezi dvěma částicemi s opačným nábojem působí jako přitažlivá síla. Podle kvantové mechaniky je zprostředkována částicí se spinem 1 - fotonem.

Třetím druhem je slabá jaderná síla, odpovědná za radioaktivitu. Působí na všechny částice kromě částic s celočíselným spinem, jako jsou fotony a gravitony. Roku 1967 Abdul Salam z Imperiální koleje v Londýně a Steven Weinberg z Harvardské univerzity navrhli teorie, které sjednocovali slabou interakci s elektromagnetickou interakcí, podobně jako Maxwell sjednotil elektřinu s magnetismem. Předpověděli, že kromě fotonu existují další tři částice se spinem 1, které přenášejí slabou interakci: částice W+, W- a Z0. Jejich hmotnost je kolem 100 GeV. Weinbergova-Salamova teorie má jednu typickou vlastnost, známou jako spontánní narušení symetrie. Ta umožňuje chápat celou nepřehlednou řadu známých částic, které pozorujeme při nízkých energiích, jako různé stavy jediné částice. Při vysokých energiích se všechny částice chovají podobně.

Jev spontánního narušení symetrie lze přirovnat k pohybu kuličky v ruletě. Při velkých energiích (když se ruleta točí rychle) se kulička chová stále stejně a pohybuje se v kole. Ale jak se ruleta brzdí, energie kuličky klesá, až v jednom okamžiku zapadne do jedné ze 37 jamek. Při nízkých energiích tedy existuje 37 různých stavů, v nichž se může kulička nacházet. Kdybychom mohli ruletu pozorovat jen při těchto nízkých energiích, možná bychom usoudili, že se vyskytuje 37 různých typů kuliček.

Podle Weinbergovy-Salamovy teorie se při energiích mnohem větších než 100 GeV chová foton a tři nové částice podobně. Při nižších energiích je symetrie mezi částicemi narušena, částice W+, W- a Z0 získávají velkou hmotnost a jim odpovídající síla má krátký dosah.

V době, kdy Weinberg a Salam novou teorii navrhli, nebyly k dispozici takové urychlovače částic, aby bylo dosaženo energie kolem 100 GeV. V oblasti nízkých energií se řada předpovědí jejich teorie potvrdila s takovou přesností, že v roce 1979 jim byla udělena Nobelova cena. Zároveň byla oceněna i práce Sheldona Glashowa, dalšího odborníka z Harvardovy univerzity, který vytvořil obdobnou teorii pro sjednocení elektromagnetické a slabé interakce.

V roce 1983 byl v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN učiněn významný objev předpovězených tří částic s hmotností a vlastnostmi předpovězenými teorií. Nobelovu cenu obdrželi Carlo Ribbio, který vedl úspěšný vědecký tým a Simon van der Meer, inženýr z CERN, který pro tento experiment vyvinul zařízení umožňující získat intenzivní svazek antiprotonů.

Čtvrtým druhem interakcí je silná jaderná interakce, která udržuje pohromadě kvarky v protonech a neutronech. Teoretici věří, že tato síla je rovněž zprostředkována částicí se spinem 1. Jsou nazývány gluony a interagují pouze s kvarky a samy mezi sebou. Vědci předpovídají, že silná interakce má ještě jednu pozoruhodnou vlastnost, které se říká "uvěznění". Projevuje se tím, že vždy váže kvarky do takových kombinací, které nemají barvu. Proto nelze pozorovat samostatný kvark (ten by byl modrý, červený nebo zelený). Proto je červený kvark vázán například s modrým a zeleným. Jinou bezbarvou kombinací je vazba kvarku s antikvarkem (červená a antičervená, zelená a antizelená, modrá a antimodrá). Takové kombinace tvoří částice mezony. Jde o nestabilní částice, protože v nich může kvark anihilovat s antikvarkem za vzniku elektronů a dalších částic.

Vlastnost "uvěznění", jejíž vinou nelze pozorovat volné kvarky a gluony, by mohla celou teorii zavést do metafyzikální oblasti. Silná interakce má ovšem ještě jednu vlastnost, asymptotickou volnost, díky níž je pojem kvarků a gluonů smysluplný. Při vysokých energiích se silná interakce značně zeslabuje, takže kvarky a gluony se chovají téměř jako volné částice.

Úspěšné sjednocení elektromagnetické a slabé interakce vyvolalo řadu pokusů sjednotit tyto dvě interakce se silnou interakcí a vytvořit takzvanou grandunifikační teorii. Tato teorie zatím nezahrnuje gravitační interakci. Nejde také o úplnou teorii, protože obsahuje řadu parametrů, jejichž hodnoty nejsme schopni určit a jejich velikosti se volí tak, aby souhlasily s experimenty.

Základní myšlenka teorií velkého sjednocení je následující. Silná interakce se při vysokých energiích stává slabší, elektromagnetická interakce a slabá interakce se při vysokých energiích stávají silnější. Při určité velmi vysoké hodnotě energie, které se říká energie velkého sjednocení, mají všechny tři interakce stejnou intenzitu. Je tedy možné, že jde o různé projevy stejné interakce. Teorie velkého sjednocení předpovídají, že se při této energii stírají rozdíly mezi látkovými částicemi se spinem 1/2 (tedy leptony a kvarky). O hodnotě energie velkého sjednocení se předpokládá, že by mohla být asi 1000 biliónů GeV. Současné urychlovače umožňují energie pouze 1000 GeV. Proto lze testovat pouze důsledky velkého sjednocení při nižších energií.

Jedním z důsledků by měl být rozpad protonu zřejmě na pozitrony. Příčinou rozpadu je skutečnost, že při energii velkého sjednocení neexistuje podstatný rozdíl mezi kvarkem a pozitronem. Tři kvarky v protonu ovšem nemají dostatek energie na to, aby se mohly přeměnit na pozitrony. Podle principu neurčitosti energie kvarků by potřebnou energii některý kvark mohl získat na úkor ostatních kvarků. V okamžiku, kdy k tomu dojde, proton se rozpadne. Pravděpodobnost tohoto rozpadu je však nepatrná a v průměru lze rozpad protonu očekávat asi za 10^30 let, což je mnohem déle, než je čas uplynulý od velkého třesku. Kdybychom pozorovali 10^31 protonů po dobu jednoho roku, měli bychom podle teorie pozorovat alespoň jeden rozpad.

Byla podniknuta řada pokusů, ale rozpad protonu se potvrdit dosud nepodařilo. Ikdyž však pozorování rozpadu protonu je neúspěšné, nelze vyloučit, že naše existence je důsledkem obráceného procesu - tvorby kvarků a pak protonů. Podle současného chápání vzniku vesmíru je totiž nejvíce pravděpodobné, že na počátku byl počet kvarků a antikvarků stejný. Otázkou tedy zůstává, proč nyní je více kvarků než antikvarků. Odpověď nabízí teorie velkého sjednocení. Při vysokých energiích se kvarky mění v pozitrony. Je tedy možné, že se také mění antikvarky v elektrony. Velmi raný vesmír byl dostatečně horký, že v něm částice měly dostatek energie na tyto přeměny.

Proč však reakce vedly k nadbytku kvarků nad antikvarky? Až do roku 1956 se vědci domnívali, že všechny fyzikální zákony zachovávají tři druhy symetrie: C, P a T. Symetrie C představuje totožnost fyzikálních zákonů pro částice a antičástice. Symetrie P představuje totožnost fyzikálních zákonů pro objekty v zrcadlovém obraze (tedy příroda nerozlišuje směry vpravo a vlevo). Symetrie T vyjadřuje skutečnost, že fyzikální zákony se nemění změnou směru toku času.

V roce 1956 studovali dva američtí fyzikové, Tsung-Dao Lee a Cheng Ning Yang, teoretickou možnost, že slabá interakce se neřídí symetrií P. V tomto případě by vliv slabé interakce způsobil, že by se vesmír vyvíjel jinak, než jeho zrcadlový obraz. V témže roce dokázala jejich kolegyně Chein-Shiung Wu, že tento předpoklad je správný. Ve svém pokusu nejprve pomocí magnetického pole srovnala spiny jader atomů zkoumaného vzorku do stejného směru. Atomy byly radioaktivní a Wu zjistila, že určitý směr je upřednostněn, tedy systém není symetrický vůči zrcadlení. V následujícím roce byla Leeho a Yangova myšlenka oceněna Nobelovou cenou.

Zjistilo se, že slabá interakce porušuje i symetrii C. Proto se vesmír složený z částic vyvíjí jinak, než by se vyvíjel vesmír složený z antičástic. Nicméně se zdálo, že zůstává zachována kombinovaná symetrie CP, tedy vesmír by se choval stejně jako jeho zrcadlový obraz složený z antičástic.

V roce 1964 objevili další dva Američané, J.W. Cronin a Val Fitch, že určitý proces - rozpad mezonů K - nezachovává ani symetrii CP. Za tento objev dostali v roce 1980 oba vědci Nobelovu cenu.

Je znám matematický teorém, který tvrdí, že každá teorie, která má být v souhlasu s kvantovou mechanikou a teorií relativity, musí splňovat kombinovanou symetrii CPT. Vesmír se nemění při záměně částic antičásticemi, zrcadlovém převrácení a obrácení toku času. Cronin a Fitch dokázali, že symetrie CP bez obrácení času vede k vesmíru, jehož vývoj bude odlišný od předchozího. Fyzikální zákony se tedy musejí změnit také tehdy, jestliže provedeme pouze obrácení toku času, tedy neřídí se symetrií T.

Symetrie T se porušovala v raných etapách vývoje vesmíru. Interakce, které nezachovávají symetrii T, mohly přeměnit více pozitronů v kvarky, než elektronů v antikvarky. Když se vesmír zvětšil a zchladl, antikvarky anihilovaly s kvarky, ale kvarků byl nadbytek. Později z kvarků vznikla hmota, kterou pozorujeme.

Grandunifikační teorie zatím nedokáže předpovědět, kolik kvarků zůstane po anihilaci, ani zda zůstanou kvarky nebo antikvarky. Teorie také nezahrnuje gravitační sílu. Její vliv sice lze zanedbat, pokud studujeme částice nebo atomy. V systému s velkým počtem částic však gravitace může dominovat nad ostatními interakcemi, a proto ovlivňuje vývoj vesmíru.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci