اما داستان اينجا تمام نمى شود. ديراك كه پس از تدوين مكانيك  كوانتومى توسط هايزنبرگ و شرودينگر به دنبال آن بود كه يك نظريه مكانيك كوانتومى نسبيتى بسازد (نسبيت خاص را با مكانيك كوانتومى پيوند بزند)، در اواخر دهه ۱۹۲۰ به معادله اى دست يافت كه علاوه بر توضيح ديناميك الكترون وجود ذره ديگرى را پيش بينى مى كرد كه تمام خواص اش همانند الكترون اما بارش مخالف آن است. اين ذره را پوزيترون ناميدند. پوزيترون پادذره الكترون است، يعنى تمام خواص آن مثل الكترون است و فقط بارهاى ذاتى (اعداد كوانتومى) آن عكس الكترون است، مثلاً بار الكتريكى مثبت دارد و در سال ۱۹۳۱ توسط كارل اندرسون با استفاده از عكس هايى كه از تابش كيهانى گرفته بود، كشف شد. نكته جالب تر اينكه معادله ديراك مى تواند هر ذره اى را كه اسپين يك دوم دارد توصيف كند (اسپين خاصيت كاملاً  كوانتومى است و مانسته كلاسيكى ندارد و شبيه يك ميدان مغناطيسى ذاتى است) پس پروتون و نوترون را هم شامل مى شود، در نتيجه آنها هم پادذره دارند.

• نظريه ميدان هاى كوانتومى
پيشرفت بعدى در درك جهان خرد (جهان زير اتمى) زمانى حاصل شد كه نشان داده شد در معادله ديراك كوانتيزه كردن معادله شرودينگر براى ذرات اسپين يك دوم، يك فوتون پرانرژى (فوتون، كوانتوم نور است كه اينشتين از آن براى توجيه اثر فتوالكتريك استفاده كرد) مى تواند يك الكترون و يك پوزيترون خلق كند. (البته براى بقاى همزمان انرژى و اندازه حركت، اين خلق بايد در كنار يك ذره سنگين تر اتفاق بيفتد.

به طور مشابه نشان داده شد كه الكترون و پوزيترون مى توانند به هم برخورد كنند و ضمن نابود شدن (فنا شدن) يك فوتون پرانرژى توليد كنند.

در نظريه  ميدان هاى  كوانتومى (كه معادله ديراك صورت خاصى از آن است) همه ذرات توسط ميدان ها توصيف مى شوند، همان طور كه فوتون نمايان گر ميدان الكترومغناطيسى است، الكترون هم تجلى يك ميدان الكترونى و پروتون هم يك ميدان پروتونى است. به امكان خلق يا فناى كوانتم هاى ميدان (ذرات) «دومين كوانتيزه شدن» مى گويند.

•نيروهاى بنيادى

در درون هسته اتم ها، پروتون ها و نوترون ها در كنار هم قرار دارند. نوترون ها بى بار هستند اما پروتون ها بار مثبت دارند. دافعه الكتريكى آنها آنقدر زياد است كه بايد چيزى بسيار قوى آنها را در كنار هم اين گونه آرام قرار داده باشد. نيرويى كه «نيروى هسته اى» نام گرفت.

فيزيكدان بزرگ ژاپنى يوكاوا اين ايده را مطرح كرد كه نيروى هسته اى ناشى از تبادل ذره اى به نام «مزون» بين اجزاى هسته (پروتون و نوترون) است به اين ترتيب پاى ذرات ديگرى هم به ميان آمد. در همين زمان ها بود كه شتاب دهنده هاى بزرگ ساخته شدند و ماحصل كار اين شتاب دهنده ها كشف صدها ذره گوناگون بود كه همه آنها به نوعى لقب «بنيادى» را به همراه داشتند وضع از زمان جدول مندليف هم بدتر شد. زيرا آن موقع تنها ۹۲ عنصر وجود داشتند و حالا صدها ذره بنيادى. همان طور كه بشر توانست اين ۹۲ عنصر شيميايى را با سه ذره الكترون، پروتون و نوترون توضيح دهد، به  نظريه ديگرى نياز بود كه بتواند اين جنگل عظيم ذرات را با چند مدل ساده تفسير كند. مدل استاندارد ذرات بنيادى توانست چنين كارى را انجام دهد. تاكنون در طبيعت تنها چهار نيروى مستقل شناخته شده است. نيروى گرانش را نيوتن كشف كرد و در نظريه نسبيت عام اينشتين تعميم يافت. نظريه نسبيت عام يكى از بهترين و كامل ترين نظريه هاى علمى است كه مى تواند نيروى گرانش را تا حد بسيار خوبى توضيح دهد. نيروى ديگر، نيروى الكترومغناطيسى است.

نيروى الكترومغناطيسى در قرن نوزدهم و با كارهاى بزرگانى مثل فارادى، هانرى، لورنتس، آمپر، اورستد و... قوام پيدا كرد و سرانجام ماكسول توانست اين نظريه ها را وحدت بخشيده و در يك نظريه واحد الكترومغناطيسى كلاسيك توضيح دهد. بعد از آن در دهه ۱۹۵۰ فاينمن توانست الكترومغناطيس را با مكانيك  كوانتومى پيوند دهد و نظريه  كوانتومى الكتروديناميك يا QED را ابداع كند.

نيروى هسته اى هم يكى ديگر از نيروهاى بنيادى طبيعت است كه اجزاى هسته  را به هم پيوند مى زند. اما بررسى واپاشى نوترون به پروتون و الكترون نشان داد كه بايد نيروى ديگرى هم وجود داشته باشد. نوترون آزاد با نيمه عمرى حدود ۱۸ دقيقه واپاشى مى كند و يك پروتون و يك الكترون و يك نوترينو آزاد مى كند. نيمه عمر اين واكنش آنقدر زياد است كه نمى توان اين واكنش را در حوزه واكنش هاى هسته اى قرار داد. از طرف ديگر نوترون بى بار است، پس نيروى الكترومغناطيسى هم نمى تواند اين واكنش را توجيه كند. از نيروى گرانش هم با توجه به جرم كم اين ذرات اصولاً صرف نظر مى شود. براى همين دانشمندان اسم نيرويى كه اين واكنش را توجيه مى كند، نيروى هسته اى ضعيف گذاشته اند زيرا شدت آن بسيار كمتر از نيروى هسته اى معمولى است كه ذرات درون هسته را به هم پيوند مى دهد. اين نيرو هم خود به خود به نيروى هسته اى قوى تغيير نام داد. نيروهاى هسته اى قوى و ضعيف و الكترومغناطيسى نيروهايى  كوانتومى هستند كه نظريه ميدان  كوانتومى آنها را توضيح مى دهد. در مدل استاندارد ذرات بنيادى، ذراتى را به عنوان حامل نيرو تعريف مى كنند. اين ذرات حامل نيرو بوزون ناميده مى شوند و ذرات معمولى كه اين نيروها بين آنها برقرار مى شود، فرميون ناميده مى شوند. بوزون ها از آمار بوز- اينشتين پيروى مى كنند و اسپين آنها صحيح است مثل ۰ ، ۱ ۲، و... اما فرميون ها از آمار فرمى- ديراك پيروى مى كنند، يعنى اصل طرد پائولى بر آنها حاكم است و فقط يك فرميون مى تواند در هر حالت قرار بگيرد. مثل ترازهاى اتمى كه در هر تراز تنها دو الكترون (يكى با اسپين بالا و يكى با اسپين پايين) قرار مى گيرد. اسپين فرميون ها نيم صحيح است. يك دوم، سه دوم، پنج دوم و...

در نيروى الكترومغناطيسى ذرات باردار ماده را مى سازند و نيروى الكترومغناطيسى در آنها با مبادله فوتون كه حامل اين نيرو و اسپين آن يك است، توضيح داده مى شود. حامل نيرو در نيروى هسته اى ضعيف، ذراتى به نام  +W و _W، Wo و Zo هستند. حامل نيروى هسته اى قوى هم ذراتى به نام گلوئون هستند.

اما تاكنون هيچ نظريه  كوانتومى براى گزارش ارائه نشده و سازش بين نسبيت عام و مكانيك  كوانتومى از مسائل لاينحل فيزيك امروزى است. براى توجيه گزارش كوانتومى پيشنهاد مى شود كه نيروى گرانش هم با استفاده از حاملى به نام گراويتون كه اسپين آن۲ و مثل فوتون بدون جرم است، منتقل مى شود. علت ۲بودن اسپين گراويتون اين است كه بايد تنها از نوع جاذبه باشد. اما مشكلاتى در اين زمينه بروز مى كند كه تا امروز حل نشده باقى مانده اند.

• ذرات بنيادى

همان طور كه رادرفورد در سال ۱۹۱۱ ذرات آلفا را به اتم هاى طلا شليك و هسته درون اتم را كشف كرد، در سال ۱۹۶۸ هم آزمايشى به همان شكل و به همان اهميت انجام شد. پراكندگى ذرات كه به سمت پروتون شليك شدند نشان داد كه جرم اين ذره در يك نقطه متمركز نيست بلكه در سه ناحيه خاص درون آن متمركز شده است. اين دستاورد نشان مى دهد كه پروتون برخلاف الكترون يك ذره بنيادى نيست، بلكه خود از سه ذره كوچك تر تشكيل شده است. همان طور كه مدل اتمى بو توانست كشفيات رادرفورد را توضيح دهد، نظريه «كرومو ديناميك كوانتومى» هم اين پديده را توضيح داد. اجزاى سازنده پروتون را كوارك نام گذاشتند. فريتشن، لوت ويلر و گلمان در سال ۱۹۷۳ كروموديناميك  كوانتومى يا QCD را ارائه كردند.

ايده اصلى آنها استفاده از يك بار بنيادى (مثل بار الكتريكى) با نام رنگ است. همان طور كه ذرات مى توانند بار مثبت يا منفى داشته باشند، كوارك ها هم مى توانند رنگ سبز، قرمز يا آبى داشته باشند. توجه داشته باشيد كه اين رنگ ها فقط اسم است و كوارك ها هيچ تابشى ندارند كه فركانس آن شبيه فركانس نور آبى، قرمز يا سبز باشد كه در چشم ها اين رنگ ها را تداعى كند بلكه همان طور كه بار الكتريكى دو وجه مثبت و منفى دارد رنگ هم سه وجه دارد: سبز، قرمز و آبى. از مخلوط شدن يك كوارك سبز، يك كوارك قرمز و يك كوارك آبى يك پروتون به وجود مى آيد كه بى رنگ است. ابتدا دو كوارك بالا (u) و پايين (d) كشف شدند.كوارك u بار الكتريكى + دوسوم و كوارك d بار الكتريكى - يك سوم دارد به اين ترتيب دو كوارك u به علاوه يك كوارك d ذره اى با بار ۱+ توليد مى كنند كه همان پروتون است. هركدام از اين كوارك ها هم يك رنگ خاص دارند. دو كوارك d  و يك كوارك u هم ذره اى بى بار توليد مى كنند كه همان نوترون است. چندى بعد، براى توجيه يكى ديگر از ذراتى با نام اومگا منفى كه در دهه ۶۰ كشف شده بود وجود كوارك ديگرى لازم شد. اين كوارك را شگفت (S) ناميدند. پس از آن كوارك C  (افسون) و سپس كوارك  t و b  كشف شدند. دو كوارك آخر را فيزيكدانان كم ذوق سر و ته (Bottom و Top)  و فيزيكدانان با ذوق تر حقيقت و زيبايى (Truth و Beauty)  مى نامند. به اين ترتيب فيزيكدانان توانستند، همه ذرات كشف شده در شتاب دهنده ها (يعنى فرميون ها) را در دو گروه اصلى طبقه بندى كنند: لپتون ها و كوارك ها (جدول يك) و در طرف ديگر ذراتى وجود دارند كه حامل نيرو هستند يعنى بوزون ها (جدول دو) وجود دارند.

دانشنامه شرق