В конце XIX – начале XX века происходило дальнейшее проникновение учёных в глубины микромира. Этот период охарактеризовался переходом от атомного уровня к уровню элементарных частиц.
Элементарные частицы представляют собой мельчайшие частицы, которые являются неделимыми и обладают определёнными физическими характеристиками.
При этом некоторые из них являются бесструктурными (т. н. первичные фундаментальные частицы), а другие (составные частицы) обладают сложной внутренней структурой (например, протоны и нейтроны в составе ядра), однако разделить их на части не представляется возможным.
Первой из элементарных частиц был открыт электрон (в конце XIX века). В начале следующего столетия произошло открытие фотона, протона, позитрона и нейтрона.
Дальнейшее развитие учения об элементарных частицах произошло уже после Второй мировой войны. В это время уже была создана экспериментальная техника, содержащая мощные ускорители с высокими энергиями. В этот период были установлены 32 элементарные частицы. Во второй половине XX века число известных науке элементарных частиц выросло до 350.
Важнейшие характеристики элементарных частиц – это заряд, масса, спин, время жизни и квантовое число.
Масса покоя любой элементарной частицы определяется по отношению к массе покоя электрона. К настоящему времени известны элементарные частицы, которые не имеют массы покоя – это фотоны. Все остальные элементарные частицы разделяют по данному признаку на лептоны– лёгкие частицы (электрон и нейтрино), мезоны– частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона (среднее значение), барионы– тяжёлые частицы, масса которых превышает тысячу масс электрона и в составе которых нейтроны, протоны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей физической характеристикой элементарных частиц. Все частицы, известные современной физике, могут иметь отрицательный, положительный или нулевой заряд. Каждая из известных элементарных частиц, за исключением фотона и двух мезонов, имеет частицу с теми же физическими характеристиками, но заряженную противоположно (т. н. античастицу). После открытия античастиц было высказано предположение о возможном существовании антивещества (в противоположность веществу) и даже антимира.
В период с 1963 по 1964 гг. было высказано предположение о существовании кварков - частиц, имеющих дробный заряд, однако к настоящему времени данная гипотеза не нашла своего подтверждения. Согласно теории конфайнмента, кварки и антикварки невозможно получить в свободном состоянии, однако агрегаты кварков можно наблюдать при проведении экспериментальной работы.
По времени жизни все элементарные частицы можно разделить на две категории: стабильные и нестабильные. Известны следующие виды стабильных частиц:
Именно стабильным частицам принадлежит ключевое значение в структуре макрообъектов. Все остальные частицы являются нестабильными. Они могут существовать около 10–10–10-24 с, после чего происходит их распад. Элементарные частицы со средним временем жизни 10–23–10–22 с называются резонансами. В силу короткого времени жизни их распад происходит ещё до того, как они покидают атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, и к настоящему времени зафиксировать их посредством проведения экспериментальной работы не удаётся.
Спин элементарной частицы также является одним из основных её свойств. Это понятие не имеет аналогов в классической физике. Спин – это собственный момент импульса частицы, который не связан с её перемещением. Характеристикой спина является спиновое квантовое число S, которое способно принимать целые (от -1 до +1) и полуцелые (от -0,5 до +0,5) значения. Частицы с целым значением спина получили название бозонов, с полуцелым – фермионов. Согласно принципу Паули, в одном атоме невозможно существование более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чисел.
Помимо основных физических качеств, элементарные частицы характеризуются различными типами взаимодействий. К настоящему времени известно четыре основных вида взаимодействия между элементарными частицами:
Частицы, которые имеют массу покоя (m0), являются участниками гравитационного взаимодействия. В свою очередь заряженные частицы участвуют также в электромагнитном взаимодействии. В слабом взаимодействии принимают участие лептоны. Андроны являются участниками всех четырёх типов взаимодействий.
С позиции квантовой теории поля, взаимодействия между элементарными частицами происходят в силу обмена виртуальными частицами – т. е. частицами, существование которых не зафиксировано никакими приборами, но через вторичные эффекты они себя проявляют.
Все типы взаимодействий между элементарными частицами, которые известны на сегодняшний день, можно описать калибровочными симметриями. Это свидетельствует о том, что все взаимодействия имеют одинаковую природу.
Наконец, уникальным свойством элементарных частиц, которое не отмечено больше ни у каких структур, является их универсальная взаимопревращаемость.