Najmniejsze cegiełki materii

Istnieją waritrony dodatnie, ujemne i najprawdopodobniej również obojętne zwane neutretto. Waritrony są nietrwałe: ciężkie przekształcają się w lżejsze, najlżejsze zaś, zależnie od znaku, w pozytron i neutrino lub elektron i neutrino. Spin waritronów wynosi 0 lub 1, ma więc wartość całkowitą podobnie jak w przypadku fotonów i grawitonów. Do faktu tego jeszcze wrócimy.

Pozostały nam do omówienia cząstki ciężkie. Noszą one nazwę nukleonów. Posiadają masę około 1800 razy większą od masy elektronu.

Nukleon dodatni, czyli proton, jest to druga po elektronie poznana cząstka elementarna. Odkrył go w jądrze atomowym Rutherford w 1919 r. Ilość protonów w jądrze atomowym decyduje o położeniu pierwiastka chemicznego w układzie periodycznym.

Symetria w innych grupach cząstek (np. elektron jest symetryczny do pozytronu) każe nam poszukiwać cząstki symetrycznej do protonu, tj. o takiej samej masie, lecz o ujemnym naboju. Nazwijmy ją antyprotonem. Dotąd go nie wykryto.

Nukleon obojętny — to neutron. Wykryty został dopiero w 1932 r. (badania Chadwicka i małżonków Joliot). Według współczesnych poglądów atom każdego pierwiastka składa się z elektronów i jądra zbudowanego z protonów i neutronów. Prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze, przy czym na ogół ilość neutronów w jądrach jest większa niż ilość protonów. Neutrony stanowią więc ponad połowę materii, która nas otacza i z której jesteśmy zbudowani, a mimo to znamy je zaledwie kilkanaście lat. Fizycy czują się nawet nieco zażenowani, że jeszcze do niedawna nic nie wiedzieli o najważniejszym „na wagę“ składniku materii.

Nie jest więc wykluczone, że istnieje również hipotetyczny antyproton. Możemy sobie np. wyobrazić jakiś antyświat zbudowany z antyatomów. Jądro każdego antyatomu składałoby się z neutronów i antyprotonów, na zewnątrz zaś jądra znajdowałyby się pozytrony. Optycznie nie bylibyśmy przy tym w stanie odróżnić antyświata od naszego zwykłego świata. Na granicy jednak obu tych światów powinny by się odbywać procesy anihilacji materii z antymaterią, tj. jąder z antyjądrami, pozytronów z elektronami. Proces taki mógłby wyjaśnić sporną dotąd kwestię pochodzenia promieni kosmicznych (dla ścisłości należy jednak zaznaczyć, że ostatnio fizycy skłaniają się raczej ku „skromniejszej“ teorii o słonecznym pochodzeniu promieni kosmicznych).

Nukleony, podobnie jak i cząstki lekkie, posiadają spin równy 1/2. Jak więc widzimy, spośród cząstek o pewnej masie spoczynkowej wyróżniają się pod względem spinu jedynie mezony (czy ogólniej waritrony), które z tego punktu widzenia są raczej podobne do fotonów i grawitonów. Nasuwa to przypuszczenie, że mezony są, podobnie jak fotony i grawitony, również porcjami (kwantami) jakiegoś pola. Ale jakiego? Nie elektromagnetycznego i nie grawitacyjnego. Widocznie więc jest jeszcze inny rodzaj pola.

Wszystkie cząstki naładowane elektrycznie (łub magnetycznie) wytwarzają pole elektromagnetyczne. Oddziaływanie wzajemne dwóch takich cząstek odbywa się za pośrednictwem pola. W języku kwantowym można tę zależność wyrazić w ten sposób: jedna cząstka (np. elektron) emituje, tj. wysyła foton, który druga cząstka (np. proton) pochłania, i odwrotnie — pierwsza cząstka pochłania foton emitowany przez drugą. Z tego obrazu zjawiska (wymiany kwantów) można wyprowadzić jako szczególny przypadek znane prawo Coulomba o wzajemnym oddziaływaniu dwóch nabojów elektrycznych lub magnetycznych.

Zupełnie analogicznie wszystkie cząstki naładowane grawitacyjnie, tj. posiadające masę spoczynkową, emitują i pochłaniają grawitony. Z przebiegu wymiany grawitonów można jako szczególny przypadek wyprowadzić podane przez Newtona prawo powszechnego ciążenia o wzajemnym przyciąganiu dwóch mas.

Nukleony, a także cząstki lekkie, posiadają pewną masę spoczynkową, a więc nabój grawitacyjny oraz naboje elektryczne lub magnetyczne (neutrony np., choć pozbawione są naboju elektrycznego, posiadają jednak pewien moment magnetyczny). Fizycy przypisali obecnie tym cząstkom jeszcze inny rodzaj naboju. Nazwijmy go nabojem mezonowym. Nabój mezonowy wytwarza odpowiednie pole mezonowe. Nukleony mogą emitować i pochłaniać kwanty tego pola, czyli właśnie mezony. Nic więc dziwnego, że mezony posiadają spin wyrażający się liczbami całkowitymi (lub 0) podobnie jak fotony czy grawitony, od których różnią się głównie tym, że posiadają masę spoczynkową. Mezony są to więc ciężkie kwanty pola mezonowego.