Klasická fyzika byla založena na pohybu hmotných částic v prázdném prostoru. Moderní fyzika tento světový názor zcela změnila. Albert Einstein ve své obecné teorii relativity spojil gravitačního pole s geometrií Riemannova časoprostoru. Při popisu subatomových částic došlo ke spojení kvantové teorie s teorií relativity. V těchto kvantových teoriích pole se ztrácí rozdíly mezi částicemi a prostorem, který je obklopuje.

Pojem pole zavedli v 19. století Faraday a Maxwell při popisu silových působení mezi elektrickými náboji a proudy. Matematickým aparátem teorie pole je vektorová analýza, která definuje skalární a vektorová pole a jejich matematické charakteristiky, jako je gradient skalárního pole, divergence a rotace vektorového pole, cirkulace vektorového pole podél křivky a tok vektorového pole plochou. Elektrické pole v prostoru kolem nabitého tělesa vytváří silové působení na libovolný elektrický náboj v tomto prostoru. Magnetické pole vytvářejí pohybující se elektrické náboje. Je tedy tvořeno elektrickými proudy a magnetické síly působí na libovolné jiné náboje v prostoru.

V klasické elektrodynamice, kterou vytvořili Michael Faraday (1791 - 1867) a James Clerk Maxwell (1831 - 1879), jsou pole primárními entitami, které mohou existovat bez jakéhokoliv vztahu k materiálním objektům. Elektrická a magnetická pole se mohou šířit v podobě rádiových vln nebo v podobě vln libovolného jiného elektromagnetického záření. Protože je pohyb relativní, může se každý náboj jevit jako proud a v důsledku toho se elektrické pole může jevit jako pole magnetické. V relativistické formulaci elektrodynamiky se proto hovoří o elektromagnetickém poli.

V teorii gravitace vystupuje gravitační pole, které je vytvářeno libovolným hmotným tělesem a silově působí na libovolná hmotná tělesa. Pro gravitační pole je vhodnou teorií pole obecná teorie relativity. Gravitační pole přitom mění geometrii prostoru, tedy jako samotnou strukturu.

Hmota a prázdný prostor byly dvě zásadně odlišné entity, na nichž byl založen Démokritův a později Newtonův atomismus. V obecné teorii relativity nelze tyto dvě entity oddělit. Kdykoliv je v prostoru hmotné těleso, existuje kolem něj gravitační pole, které se projevuje jako zakřivení prostoročasu kolem tělesa. Pole ovšem nenaplňuje prostor a nezakřivuje ho. Pole a prostor nelze odlišit, neboť gravitační pole je zakřiveným prostorem. V obecné teorii relativity jsou gravitační pole a geometrie prostoročasu totéž.

Hmotné objekty tedy nejen určují geometrii prostoročasu ale jsou naopak ovlivňovány tímto prostoročasem. Fyzik a filozof Ernst Mach si představoval, že inercie hmotného objektu (odpor vůči zrychlení) není vnitřní vlastností hmoty, ale je mírou interakce objektu s celým vesmírem. Pokud těleso rotuje, setrvačností vznikají odstředivé síly, ale tyto síly se objevují proto, že těleso se otáčí vzhledem "ke zdánlivě nehybným hvězdám". Pokud by hvězdy náhle zmizely, setrvačnost a odstředivé síly by přestaly existovat.

Tato koncepce setrvačnosti, známá jako Machův princip, měla hluboký vliv na Alberta Einsteina a byla pro něj původní motivací pro vytvoření obecné teorie relativity. Tato teorie je matematicky značně komplikovaní, protože používá aparátu tenzorové analýzy. Není dosud zřejmé, zda teorie obsahuje Machův princip nebo ne. Většina fyziků je přesvědčená, že by měl být Machův princip do teorie relativity zahrnut. Moderní fyzika stále více ukazuje, že hmotné objekty nejsou rozlišené entity, ale že jsou spjaty se svým prostředím a jejich vlastnosti lze zkoumat jen v interakci s ostatním světem. Podle Machova principu tato interakce se dotýká vesmíru jako celku. Základní jednota se tedy projevuje jak v mikrokosmu, tak v makrokosmu. Astronom Fred Hoyle napsal:

"Současný vývoj v kosmologii dost naléhavě svědčí o tom, že běžné podmínky by nemohly přetrvávat, nebýt vzdálených částí vesmíru, že všechny naše představy o prostoru a geometrii by přestaly platit, pokud by se vzdálené části vesmíru odstranily. Zdá se, že naše každodenní zkušenost se až do nejmenších podrobností včleňuje do velkorozměrných rysů vesmíru tak těsně, že je téměř nemožné o nich uvažovat jako o oddělených."

Jednota a vzájemný vztah mezi materiálním objektem a jeho okolím, která se v makroskopickém měřítku projevuje v obecné teorii relativity, se mnohem nápadněji projevuje v subatomovém světě. Při popisu interakcí mezi subatomovými částicemi se kombinují představy klasické teorie pole s kvantovou teorií. Kvůli komplikované matematické podobě Einsteinovy gravitační teorie dosud neexistuje toto spojení kvantové teorie s teorií gravitace. Došlo však ke spojení elektrodynamiky s kvantovou teorií do teorie nazvané "kvantová elektrodynamika", která popisuje všechny elektromagnetické interakce mezi subatomovými částicemi.

Nápadný nový rys kvantové elektrodynamiky vzniká kombinací dvou koncepcí: koncepce elektromagnetického pole a koncepce fotonů jako částicových projevů elektromagnetických vln. Fotony jsou také elektromagnetickými vlnami a vlny jsou kmitající pole. Z toho vychází koncepce kvantového pole, které může mít podobu částic. Každému typu částic odpovídá jiné pole. V těchto kvantových teoriích pole je zcela překonán rozdíl mezi pevnými částicemi a prostorem, který je obklopuje. Kvantové pole je základní entitou, je to kontinuum přítomné všude v prostoru. Částice jsou jen lokálními kondenzacemi pole, koncentracemi energie, která se mění a tím tyto částice ztrácejí svůj individuální charakter a rozpouštějí se do vlastního pole. Albert Einstein o tom napsal:

"Na hmotu se můžeme dívat jako na takové oblasti prostoru, kde je pole nesmírně husté... V tomto novém druhu fyziky není místo jak pro pole, tak pro hmotu, protože jedinou skutečností je pole."

Koncepce fyzikálních objektů a jevů jako přechodových jevů jisté fundamentální vlastní entity není jen základem kvantové teorie pole, ale také světového názoru východních filozofií. Východní mystici považují vlastní entitu za jedinou skutečnost. Všechny její jevové projevy jsou chápány jako přechodné a klamné. Tuto skutečnost však nelze ztotožnit s kvantovým polem, protože se považuje za podstatu všech jevů na tomto světě a proto stojí nad všemi koncepcemi a představami. Na druhé straně kvantová teorie pole je dobře definovaná koncepce, ale vysvětluje jen některé fyzikální jevy. I přesto nacházíme paralelu mezi intuicí, která se skrývá za fyzikální interpretací subatomového světa z hlediska kvantového pole, a intuicí východního mystika, který interpretuje svůj zážitek světa z hlediska nejvyšší vlastní skutečnosti. Jakmile se objevila kvantová teorie pole, fyzikové se pokoušeli sjednotit různá pole do jednotného základního pole, které by zahrnovalo všechny fyzikální jevy. Zejména Einstein strávil poslední roky svého života usilovným hledáním takového unitárního pole. Podle východního názoru stojí skutečnost, která tvoří základ všech jevů, nad všemi formami a nelze ji popsat nebo specifikovat. Proto se říká, že je beztvará a prázdná, ale tuto prázdnotu nelze chápat jako úplnou prázdnotu, neboť je podstatou všech forem a zdrojem veškerého života.

Lao-c' používá na ilustraci této prázdnoty několik metafor. Nejčastěji přirovnává Tao k prázdnému údolí nebo nádobě, která je prázdná a tak má potenciální možnost obsahovat nekonečné množství věcí.

Prázdno má podle východních mystiků nekonečný tvořivý potenciál. Proto je lze přirovnat ke kvantovému poli, ze kterého potenciálně vznikají jako lokální nehomogenity subatomové částice a tím látka. Hermann Weyl napsal:

"Podle teorie pole hmoty je taková hmotná částice jako elektron jen malou oblastí elektrického pole, ve které nabývá síla pole nesmírně vysoké hodnoty a naznačuje, že na velmi malém prostoru je soustředěná poměrně obrovská energie pole. Takový balík energie, který není oproti ostatnímu poli nijak jasně zobrazený, postupuje prázdným prostorem jako vlna na hladině jezera; neexistuje nic jiného než ta samá substance, ze které je elektron vytvořen."

V čínské filozofii není myšlenka pole vyjádřena jen v představě Taa, jako prázdného a beztvarého a přitom vytvářejícího všechny formy. Je vyjádřena také v pojmu čchi, který hrál důležitou roli skoro v každé čínské škole přírodní filozofie, která usilovala o syntézu Konfuciova učení, buddhismu a taoismu. Slovo "čchi" doslova znamená "plyn" nebo "éter" a ve staré Číně označovalo životodárný dech nebo energii oživující vesmír.

V lidském těle tvoří "dráhy čchi" základ tradiční čínské medicíny. Cílem akupunktury je podnítit plynutí čchi těmito kanály. Plynutí čchi je také základem plynulých pohybů tai nebo čuanu, taoistickém bojovém umění. Čchi se chápe jako řídká a nerozeznatelná forma hmoty, která je přítomná v celém prostoru a může zkondenzovat do pevných materiálních objektů. Walter Thirring o moderní fyzice napsal:

"Moderní teoretická fyzika dala náš názor na podstatu hmoty do jiných souvislostí. Nasměrovala naši pozornost od viditelného - částic - na vlastní entitu, pole. Přítomnost hmoty je jen narušením dokonalého stavu pole v daném místě; je to cosi náhodné, skoro by se dalo říci, že je to jen "kaz". Přesto neexistují žádné jednoduché zákony popisující síly mezi elementárními částicemi. Řád a symetrii je třeba hledat ve vlastním poli."

Objevem teorie kvantového pole nalezla fyzika nečekanou odpověď na starou otázku, zda se látka skládá z nedělitelných částic nebo z vlastního kontinua. Pole je kontinuum, které je přítomné všude v prostoru, přičemž ve svém částicovém projevu má diskontinuální, částicovou podstatu. Sjednocení těchto dvou podstat se považuje jen za dva projevy téže skutečnosti. V relativistické teorii pole se tyto dva projevy, pole a částice, trvale transformují vzájemně jeden ve druhý. Jedna buddhistická sútra k tomu říká:

"Forma je prázdno a prázdno je ve skutečnosti forma. Prázdno se neliší od formy, forma se neliší od prázdna. Co je forma, to je prázdno, co je prázdno, to je forma."

Pojem pole se původně spojoval se silovými interakcemi a dokonce dodnes se v kvantové teorii spojuje se silami mezi částicemi. Elektromagnetické pole se může projevovat jako "volné pole" ve formě šířících se vln nebo také jako silové pole mezi nabitými částicemi. Síla se projevuje jako výměna fotonů, tj. silového pole, mezi interagujícími částicemi. Pokud se proces výměny fotonu zobrazí v časoprostorovém diagramu, je toto nové pojetí sil pochopitelnější.

.  e[-]                                   .  e[-]
    .                                  .
        .                        . B                          vzájemné odpuzování elektronů
           .               .       .                            výměnou fotonu jako
               .      .              .                          intermediální částice pro
           A  .     foton         .                        elektromagnetickou interakci
              .                          .
            .                              .
  e[-]  .                                  .  e[-]

V klasické fyzice bychom proces popsali tím, že elektrony na sebe působí odpudivou elektromagnetickou sílou. Pokud se elektrony k sobě přiblíží, dojde k výměnám fotonů. Síla je jen projevem mnohonásobné výměny fotonů. Pojem síly v subatomové fyzice nemá význam. Neexistují žádné síly, ale pouze částice, které se při silových interakcích vyměňují mezi interagujícími částicemi.

Podle kvantové teorie pole se všechny silové interakce uskutečňují prostřednictvím částic. V případě elektromagnetické interakce se vyměňují fotony, v případě silné interakce mezi nukleony se vyměňují mesony, v případě slabé interakce se vyměňují intermediální bosony.

V kvantové teorii pole lze všechny interakce částic zobrazit prostoročasovými diagramy, přičemž každému diagramu odpovídá matematické vyjádření, pomocí něhož lze spočítat, s jakou pravděpodobností k interakci dojde. To, jaké matematické vyjádření přesně odpovídá danému diagramu, určil v roce 1949 Richard Feynman a od té doby se tyto diagramy nazývají Feynmanovy diagramy. Klíčovým rysem této teorie je vznik a zánik částic. Foton vzniká v bodě A a zaniká v bodě B. Takový proces má význam jen v relativistické teorii, kdy se částice považují za dynamické objekty s určitým množstvím energie.

Hmotná částice tedy může vzniknout jen tehdy, když získá dostatek energie odpovídající její hmotnosti. V případě silných interakcí není taková energie vždy k dispozici, např. v případě interakce dvou nukleonů v atomovém jádře. Proto by se neměla uskutečnit výměna hmotných mesonů. Přesto k těmto procesům dochází. Například dva protony si mohou vyměnit mesony pí (piony), jehož hmotnost je asi jedna sedmina hmotnosti protonu:

.  p[+]                                   .  p[+]
    .                                  .
        .                        .                                   výměna pionů mezi protony
           .               .       .
               .      .              .
                .     pí[0]          .
              .                          .
            .                              .
  p[+] .                                  .  p[+]
 
Důvod, proč navzdory zjevnému nedostatku energie potřebné k vytvoření mesonu dochází k procesu jeho výměny, je třeba hledat v kvantovém efektu spojeného s principem neurčitosti. Subatomové jevy probíhají v rámci velmi krátkých časových okamžiků a s tím je spojena velká neurčitost energie. Výměna mesonů je jevem tohoto druhu. Probíhá v tak krátkém čase, že neurčitost energie postačuje k vytvoření mesonů. Tyto mesony se nazývají virtuální částice a od "skutečných" mesonů se odlišují tím, že mohou existovat jen po dobu, kterou připouští princip neurčitosti. Čím jsou mesony hmotnější, tím kratší doba je přípustná k jejich výměně. Proto si nukleony mohou těžké mesony vyměňovat jen na velmi krátké vzdálenosti. Výměna virtuálních fotonů může probíhat na nekonečně velké vzdálenosti, protože klidová hmotnost fotonů je nulová. Tato analýza jaderných a elektromagnetických sil umožnila v roce 1935 Hideki Jukawovi nejen předpovědět existenci pionu dvanáct let před jejich objevem, ale z rozsahu jaderné síly odhadnout jejich hmotnost.

V kvantové teorii jsou všechny interakce chápány jako výměna virtuálních částic. Čím je interakce silnější, tím větší je pravděpodobnost takové výměny a tím častěji k výměně virtuálních částic dochází. Úloha virtuálních částic není jen v jejich výměně. Samotný nukleon může emitovat a poté absorbovat virtuální částici za předpokladu, že délka její existence je v souladu s principem neurčitosti. Pravděpodobnost těchto procesů autointerakce pro silnou interakci u nukleonů je přitom velmi vysoká. Nukleony proto neustále emitují a absorbují virtuální částice. Podle teorie pole lze tedy nukleony považovat za centra neustálé aktivity obklopené oblaky virtuálních částic. Virtuální mesony se rozpadají brzy po svém vzniku a proto je oblak mesonů velmi malý. Na jeho okrajích se nacházejí lehké mesony (většinou piony) a těžší mesony jsou uvnitř oblaku.

Pokud do nukleonu narazí vysokou rychlostí jiná částice, může předat část své kinetické energie virtuálním mesonům a tím je uvolnit s oblaku. Pokud se dostanou dva nukleony vedle sebe, mohou se jejich mesonové oblaky překrývat a některé z virtuálních částic nemusí být absorbovány tím nukleonem, který je emitoval. Takto se projevuje silná interakce.

Interakce mezi částicemi jsou tedy určeny složením jejich virtuálních oblaků částic. Elektromagnetické síly jsou způsobeny přítomností virtuálních fotonů v oblacích kolem nabitých částic. Síly mezi částicemi se projevují jako vnitřní vlastnosti částic.

Teorie pole nás nutí vzdát se představy materiálních částic a prázdna. Částice nelze oddělit od prostoru, který je obklopuje. Na jedné straně určují strukturu prostoru a přitom jsou současně nehomogenitami pole, které existuje v celém prostoru. Vakuum tedy není prázdné. Po odstranění všech látkových částic a záření v něm spontánně vznikají a zanikají virtuální částice v souladu s principem neurčitosti. Fyzikální vakuum je tedy potenciálním zdrojem všech částic.
 

Výzkum subatomového světa ve 20.století odhalil vnitřní dynamickou povahu hmoty. Složky atomu jsou dynamické modely, které jsou integrálními částmi nerozdělitelné sítě interakcí. Interakce mají za následek neustálý tok energie, které se projevuje jako výměna částic. Interakcemi částic vznikají stabilní útvary vytvářející materiální svět, ale tyto útvary nejsou statické, ale oscilují. Celý svět je tedy zapojen do věčného pohybu, do "kosmického tance" energie.

Studium subatomových částic a jejich interakcí ukázalo, že i přes velký počet částic existuje určitý vnitřní řád. Všechny atomy jsou složeny jen ze tří hmotných částic. V jádře jsou protony a neutrony, v obalu jsou elektrony. Foton je částice s nulovou klidovou hmotností a je projevem elektromagnetického pole. Foton, proton a elektron jsou stabilní částice. Neutron se může spontánně rozpadnout. Tento rozpad se nazývá beta-rozpad a je základním procesem jistého druhu radioaktivity:

        n[0]   -->   p[+]   +   e[-]   +   anti-ní[;e]

Kromě protonu a elektronu vzniká elektronové antineutrino, které má nepatrnou klidovou hmotnost a lze je velmi nesnadno zjistit, protože snadno proniká hmotou.

Většina ostatních známých subatomových částic má velmi krátkou dobu života. Rozpadají se až do stavu, kdy vznikají stabilní částice.

Životnost nejméně stabilních částic je kratší než miliontina sekundy. Protože se však pohybují rychlostí blízké rychlosti světla ve vakuu, podle principů speciální teorie relativity se jejich vlastní čas zpomalí a částice urazí vzdálenost 0,001 m až několik metrů podle doby života. Proto tyto částice urazí mnohem větší vzdálenost, než je jejich velikost.

Nejkratší dobu žijí částice nazývané souhrnně rezonance a nejsou schopny urazit vzdálenost větší než je několikanásobek jejich velikosti. Na jejich existenci proto nelze usuzovat podle stop v bublinové nebo mlžné komoře, ale jen nepřímo.

Všechny tyto částice vznikají a zanikají při srážkových procesech a každá z nich se může vyměnit jako virtuální částice a tím realizovat interakci mezi částicemi. Všechny interakce mezi částicemi lze rozdělit do čtyř kategorií silových interakcí: gravitační, elektromagnetické, silné a slabé.

Gravitační interakce působí mezi všemi částicemi, ale je velmi slabá. Její projevy sledujeme v makrosvětě jako gravitační sílu. Elektromagnetická interakce působí mezi všemi částicemi s elektrickým nábojem. Zajišťuje stabilitu atomů vazbou mezi jádrem a elektronovým obalem a zodpovídá za chemické vlastnosti atomů. Silná interakce udržuje v jádře protony a neutrony a je největší ze všech sil.

Nukleony (protony a neutrony) nejsou jedinými částicemi, které podléhají silné interakci. K silně interagujícím částicím náleží většina částic. Silných interakcí se neúčastní foton a leptony (elektron, miony, tauony, jim odpovídající neutrina a jejich antičástice).
 

                                                          částice hmoty
                                                                   ¦
                            -----------------------------------------------------------------
                       hadrony                                                                     leptony
                            ¦                                                                                ¦
         -----------------------------                                     -----------------------------------------
    baryony                        mesony                           elektron                mion                 tauon
         ¦                                   ¦                                     ¦                         ¦                        ¦
         ¦                          ----------------                     elektron.                mion.                 tauon.
         ¦                      kaony           piony                  neutrino              neutrino              neutrino
         ¦
         ---------------------------
   hyperony                    nukleony
                                          ¦
                                 ----------------
                             proton         neutron

Částice lze rozdělit do dvou skupin. První z nich tvoří již zmíněné leptony, druhou tvoří hadrony. Hadrony se rozdělují na baryony a mesony. Leptony se zapojují do slabé interakce, která se projevuje jen při některých srážkách částic, jako je např. zmíněný beta-rozpad.

Všechny interakce mezi hadrony jsou zprostředkovány výměnou jiných hadronů. Tyto výměny způsobují, že silná interakce má krátký dosah. Elektromagnetickou a gravitační interakci naopak pozorujeme v makrosvětě. Fyzici jsou přesvědčeni, že gravitační interakce je zprostředkována částicí s nulovou klidovou hmotností gravitonem. Protože je gravitační interakce velmi slabá, je obtížné sestavit experiment pro zjištění gravitonu. Od roku 1969 se gravitační vlny pokouší detekovat americký fyzik Joseph Weber. Předpokládá se, že gravitony mají analogickou úlohu jako foton v elektromagnetické interakci. Tato analogie tvoří základ nové skupiny kvantových teorií nazývaných kalibrační teorie (gauge [geidž] theory).

Čím vyšší je počáteční energie ve srážkových procesech, tím více částic může vzniknout. Byl například pozorován proces vytvoření osmi pionů při srážce antiprotonu. Subatomové částice vznikají především v nitrech žhavých hvězd. Některé hvězdy díky těmto procesům vyzařují do prostoru silné elektromagnetické záření: rádiové vlny, rentgenové záření, světelné záření. Tato záření jsou pak pro astrofyziky primárním zdrojem informací o vesmíru. Kosmické záření neobsahuje pouze fotony, ale částice všech druhů, jejichž původ dodnes není uspokojivě objasněn.

Srážkové procesy nejsou jediným typem procesů v mikrosvětě. Již víme, že mohou vznikat a zanikat virtuální částice, které nutně nemusí být částicemi silových interakcí. Následující diagram ukazuje srážku protonu s antiprotonem, kdy se předává virtuální neutron.

.  pí[+]                                  .  pí[+]
    .                                  .
        .                        .                                   srážka protonu a antiprotonu
           .               .       .                                 s výměnou virtuálního neutronu
               .      .              .
                .     n[0]          .
              .                          .
            .                              .
  p[+] .                                  .  p[-]

Čáry na fotografiích z bublinové komory poskytují jen velmi přibližný obraz o interakcích částic. Skutečné procesy jsou mnohem složitější a probíhá často bohatá výměna virtuálních částic. Je důležité si uvědomit, že všechny procesy se řídí kvantovou teorií a proto představují spíše tendence, než skutečnost. Každý proton existuje s určitou pravděpodobností, jako proton a virtuální neutrální pion, jako proton a virtuální kladný pion a mnoha jinými způsoby. Virtuální částice mohou produkovat další virtuální částice.

Kenneth Ford ve své knize "Svět elementárních částic" ukázal, jak například proton může vytvořit celou síť virtuálních částic, které postupně vzniknou a zaniknou a na konci procesu zůstává opět proton, aby mohl vytvořit další síť. Ford hovoří o "tanci vzniku a zániku". Moderní fyzika ukázala, že pohyb a rytmus jsou základními vlastnostmi hmoty. Všechna energie vesmíru se účastní nepřetržitého "kosmického tance".

Metafora kosmického tance našla své vyjádření v hinduismu v obrazu tancujícího boha Šivy. V jedné ze svých četných inkarnací se bůh Šiva, jeden z nejoblíbenějších indických bohů, objevuje jako král tance. Podle hinduistické víry je celý život součástí velkého rytmického procesu tvoření a zániku a tanec boha Šivy symbolizuje toto věčné rytmické střídání života a smrti v nekonečných cyklech.

Moderní fyzika ukázala, že rytmus vzniku a zániku není vlastní jen živé přírodě, ale je samotnou podstatou hmoty. Podle kvantové teorie jsou všechny interakce mezi částicemi uskutečněny emisemi a absorbcemi virtuálních částic. Látkové částice mohou autointeragovat, tedy vytvářet sami síť virtuálních částic, která posléze zanikne.

Různé částice potřebují různou energii pro tvorbu virtuálních částic a podle množství energie vytvářejí různé virtuální částice. Virtuální částice je v podstatě ničené a vytvářené vakuum, protože částice z něho vznikají a do něj zanikají.
 

Subatomový svět je světem rytmu a neustálé změny. Není však chaotický, ale řídí se velmi pevnými zákony. Všechny částice daného druhu jsou zcela totožné, mají stejnou hmotnost, stejný náboj, spin, izospin a další kvantová čísla, která určují jejich vlastnosti.

Objev zřetelných modelů ve struktuře hmoty byl pozorován již u atomů. Podle počtu protonů a neutronů v jádře a elektronů v elektronovém obalu byly atomy klasifikovány do periodické tabulky prvků. Vlnová povaha elektronů omezuje volbu jejich drah kolem jádra na určité přesně definované hodnoty. V atomové struktuře vznikají určité modely, které jsou určeny souborem kvantových čísel (hlavní, vedlejší, magnetické a spinové) a odrážejí tím vibrační modely elektronových vln. Pokud jsou dva atomy ve stejném kvantovém stavu, jsou zcela totožné.

Modely ve světě subatomových částic vykazují podobnost s modely atomů. Většina částic má svoji vnitřní rotaci, označovanou jako spin. Spin je násobkem určité základní hodnoty. Například baryony mohou mít spin 1/2, 3/2, 5/2 atd. Mezony mohou mít spin 0, 1, 2 atd.

Silně interagující částice, hadrony, lze zařadit do posloupností, které následují za sebou, a mají až na hmotnost a spin totožné vlastnosti, jak ukazuje následující tabulka.
 
 

částice	spin	náboj	hmotn.    MeV	doba      života
mesony (bosonové hadrony)
kladný pion    neutrální pion    záporný pion    kladný kaon    neutrální kaon	0    0    0    0    0	+1      0     -1    +1      0	136,9    135,0    139,6    493,7    479,7	26 ns    83 as    26 ns    12,4 ns       -
baryony (fermionové hadrony)
proton    neutron    hyperon Lambda    kladný hyperon    Sigma    neutrální hyperon    Sigma    záporný hyperon    Sigma    neutrální hyperon    Ksí    záporný hyperon    Ksí    hyperon Omega	1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    3/2	+1     0     0    +1     0    -1     0    -1    -1	938,3    939,6    1115,6    1189,4    1192,5    1197,4    1314,9    1321,3    1672,2	stab.?    918 s    251 ps    81 ps    0,06 as    149 ps    300 ps    170 ps    130 ps

 

Vyšší členy těchto posloupností jsou nesmírně krátce žijící částice, které se nazývají rezonance. Hmotnost a spin rezonancí se přesně určeným způsobem v každé posloupnosti zvyšuje. Tato pravidelnost navozuje analogii s excitovanými stavy atomů, které jsou způsobeny umístěním elektronů ve vyšších elektronových hladinách s vyšší energií. Fyzikové se proto na vyšší členy hadronových posloupností nedívají jako na odlišné částice, ale jako na excitované stavy členu s nejnižší hmotností.

Podobnosti mezi kvantovými stavy atomů a hadronů naznačily, že hadrony jsou složené objekty s vnitřní strukturou, které absorbováním energie mohou vytvářet různé excitované modely. Zatím není známo, jak se tyto modely vytvářejí. Modely jsou zatím určeny a klasifikovány pouze empiricky.

Zásadním problémem kvantové mechaniky je skutečnost, že na subatomové částice nelze hledět jako na "objekty" složené z "částí". "Části" těchto částic lze zjistit jedině jejich dělením ve srážkovém procese při vysokých energiích. Výsledné části však v žádném případě nejsou nějakými "menšími částmi" původních částic. Srážkou protonů nikdy nevzniknou nějaké "části" protonu, ale vždy jen celé hadrony. "Strukturu" subatomové částice lze tedy chápat výlučně v dynamickém smyslu, jako dynamické procesy. Částice se při srážce rozpadají na části podle určitých pravidel. Tyto části jsou částicemi určitého druhu a lze pro ně nalézt pravidla.

Ve výzkumu elementárních částic hrála významnou úlohu představa o symetrii, která dostala abstraktní význam a stal se z ní účinný nástroj pro klasifikaci částic. Za nejběžnější symetrie v geometrii považujeme zrcadlovou symetrii a středovou symetrii. Při zrcadlové symetrii lze geometrický objekt rozdělit tak, že jeho obě části jsou vůči sobě zrcadlovým obrazem. Čtverec má vyšší stupeň symetrie, neboť jej lze rozdělit jednak podle osy vedené středem čtverce a středy stran a jednak podle osy vedené úhlopříčkou čtverce. Matematicky řečeno je symetrie transformace množiny bodů, po jejímž provedení získáme totožnou množinu bodů. Při zrcadlové symetrii každý bod převedeme na jeho zrcadlový obraz a vzhled předmětu se nezmění. Uvedené transformace splňují určité matematické zákonitosti, hovoříme o grupě transformací. Ve fyzice se symetrie spojují s určitými transformacemi, které jsou prováděny nejen v prostoročase, ale na matematických prostorech stavových veličin. Operace symetrie mají úzký vztah k zákonům zachování. Pokud má nějaký proces určitou symetrii, vždy existuje měřitelná veličina, která se "zachovává", tedy její hodnota po provedení operace zůstává stejná.

V současné době jsou známy celkem čtyři zákony zachování, které lze pozorovat u všech procesů a tři z nich jsou spjaty s jednoduchými symetrickými operacemi v prostoročase. Všechny interakce částic jsou symetrické vůči translaci (posunutí) v prostoru a vůči translaci v čase. Nezáleží na tom, ve kterém bodě a v jakém okamžiku proces probíhá. Bude vždy probíhat stejně. Symetrie vůči posunutí v prostoru souvisí se zachováním celkového momentu hybnosti částic. Symetrie vůči posunutí v čase souvisí se zachováním celkové energie částic. Další symetrie se týká orientace v prostoru. Tato symetrie souvisí se zachováním celkového spinu (vnitřního rotačního momentu) částic. Konečně zde máme zákon zachování elektrického náboje, který souvisí se složitější symetrií v abstraktním matematickém prostoru.

Existují další zákony zachování, které odpovídají symetrickým operacím v abstraktním matematickém prostoru, jako je zákon zachování elektrického náboje. Každé částici je přiřazena skupina kvantových čísel, z nichž pro danou skupinu částic se některá kvantová čísla zachovávají. Každá částice je popsána kvantovými čísly, které spolu s její hmotností plně určují její vlastnosti.

Hadrony lze charakterizovat pomocí dvou kvantových čísel, izospinu I a dvojnásobného elektrického náboje (hypernáboje) Y. Pokud seskupíme mesony podle těchto dvou kvantových čísel, dostaneme obrazec zvaný mesonový oktet.

Podobně baryony vytvářejí stejný obrazec, nazývaný baryonový oktet. Baryonová rezonance Omega spolu s devíti rezonancemi vytváří obrazec zvaný baryonový dekuplet.

Mezony v mesonovém oktetu mají nulový spin. Baryony v baryonovém oktetu mají spin 1/2, baryony v baryonovém dekupletu mají spin 3/2.

Uvedené symetrie lze vysvětlit, pokud budeme předpokládat, že všechny hadrony jsou vytvořeny z malého počtu entit, které dosud unikají přímému pozorování. Murray Gell-Man je pojmenoval kvarky podle věty v románu Jamese Joyce "Finneganovo probuzení": "Three quarks for Muster Mark".

Gell-Mannovi se podařilo vysvětlit většinu hadronových multipletů tím, že kvarkům přidělil vhodná kvantová čísla a pak vytvářel jejich kombinace tak, aby vytvořily baryony a mesony. V tomto smyslu lze říci, že baryony se "skládají" ze tří kvarků a mesony z jednoho kvarku a jednoho antikvarku.
 
 

název        symbol	spin	baryonové     číslo	izospin	složka    izospinu	náboj	podivnost
protonový      u    neutronový    d    podivný         s	1/2    1/2    1/2	1/3      1/3      1/3	1/2     1/2      0	1/2    -1/2       0	2/3   -1/3   -1/3	0        0       -1

Trojice kvarků u (up), d (down) a s (strange) tvoří baryony a základní vlastnosti kvarků tvoří pozorované vlastnosti baryonů. Obsah kvarků v částicích baryonového oktetu je patrný z následující tabulky. Hmotnost je uvedena v MeV.
 

částice	obsah	spin	baryon.     číslo	izo-    spin	složka    izospinu	náboj	podiv-     nost	hmot-     nost
p[+]    n[0]    Sigma[+ ]    Sigma[0]    Lambda    Sigma[-]    Ksí[0]    Ksí[-]	uud     udd     uus     uds     uds     dss     uss     dss	1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2    1/2	1        1        1        1        1        1        1        1	1/2    1/2     1     1     0     1    1/2    1/2	1/2     -1/2       1       0       0      -1       0      -1	1      0      1      0      0     -1      0     -1	0      0     -1     -1     -1     -1     -2     -2	938,3    939,6   1189,4   1192,5   1115,6   1197,4   1314,9   1321,3

 
Podobně získáme baryonový dekuplet (rezonance). Hmotnost je uvedena v MeV.
 

částice	obsah	spin	baryon.     číslo	izo-    spin	složka    izospinu	náboj	podiv-     nost	hmot-     nost
delta++    delta[+]    delta[0]    delta[-]    Sigma[+]    Sigma[0]    Sigma[-]    Ksí[0]    Ksí[-]    omega[-]	uuu     uud     udd     ddd     uus     uds     dds     uss     dss     sss	3/2    3/2    3/2    3/2    3/2    3/2    3/2    3/2    3/2    3/2	1        1        1        1        1        1        1        1        1        1	3/2    3/2    3/2    3/2     1     1     1    1/2    1/2     0	3/2      1/2     -1/2     -3/2       1       0      -1      1/2     -1/2        0	2      1      0     -1      1      0     -1      0     -1     -1	0      0      0      0     -1     -1     -1     -2     -2     -3	1232    1232    1232    1232    1382    1382    1387    1532    1535    1672

 
Jednoduchost a účinnost tohoto modelu je však zastíněna experimentálními problémy, kdy se doposud nepodařilo rozbít hadrony na kvarky, ačkoliv byly použity nejvyšší dosažitelné energie. Kvarky mají některé neobvyklé vlastnosti, např. jejich náboj je roven 1/3 nebo 2/3 náboje elektronu. Reálnost kvarků v současnosti zpochybňují také teoretické námitky.

Při pokusech o rozšíření kvarkové teorie bylo nutné, se každý kvark vyskytoval ve třech variantách, tzv. barvách. Podle barevného kvarkového modelu baryony obsahují tři kvarky různých barev, takže se jeví jako bezbarvé. Mezony obsahují jeden kvark a jeden antikvark stejné barvy, takže se jeví také jako bezbarvé.

K původním třem kvarkům přibyl ještě čtvrtý kvark, označený jako půvabný kvark c (charm), vyskytující se také ve třech barvách. Tím se celkový počet kvarků zvýšil na dvanáct. Aby se odlišily kvarky různých barev, bylo zaveden termín vůně.

Kvarková teorie vysvětluje velké množství pravidelností. Není pochyb, že hadrony vykazují "kvarkovou symetrii", ačkoliv naše současné chápání vylučuje existenci fyzikálních kvarků.

Objev symetrií ve světě subatomových částic vedl mnohé fyziky k přesvědčení, že tyto symetrie odrážejí základní přírodní zákony. Posledních 20 let bylo věnováno nalezení nejvyšší "základní" symetrie, která by zahrnovala všechny částice a vysvětlila by strukturu hmoty. Tento úmysl zrcadlí filozofický přístup, který jsme zdědili od řeckých filozofů.

Postoj východní filozofie k symetrii je v nápadném protikladu k názorům řeckých filozofů. Mystické tradice často používají symetrické obrazce jako symboly nebo meditační prostředky, ale symetrie ve východní filozofii nehraje žádnou významnou úlohu. Mnoho východních uměleckých forem se záměrně vyhýbá symetrii a pravidelným geometrickým tvarům.

Může se zdát, že hledání fundamentálních symetrií ve fyzice částic je odrazem našeho helénistického dědictví. Zdůraznění symetrie však není jedinou stránkou fyziky částic. V protikladu ke "statickému" symetrickému přístupu vždy existovala "dynamická" škola myšlení, která nepovažovala částicové modely za základní rysy přírody, ale pokouší se je chápat jako důsledek dynamické povahy a podstatného vzájemného vztahu subatomového světa.

                                                             - pokračování -

časopis o přírodě, vědě a civilizaci