Przez długi czas wierzono, że atom stanowi niepodzielną część materii. Jednak wyniki badań pokazały, że atom składa się z jeszcze mniejszych fragmentów czyli z jąder atomowych i elektronów. Jądra atomowe zostały zidentyfikowane na podstawie eksperymentów z rozpraszaniem cząstek alfa na foliach ze złota. Były one prowadzone przez Rutheforda. Później okazało się, że jądra dzielą się na jeszcze mniejsze fragmenty czyli protony i neutrony. I znowu wyniki ostatnich w zasadzie kilkunastu lat pokazały, że i one są podzielne. Niemniej jednak ze względów historycznych nadal zalicza się je do cząstek elementarnych.

Zarówno proton jak i neutron należą do tzw. hadronów czyli cząstek odczuwających oddziaływania silne.

Wszystkie hadrony zbudowane są z kwarków. Ze względu na budowę hadrony dzieli się na:

  • bariony - zbudowane są zawsze z trzech kwarków. Protony składają się z dwóch kwarków "up" i jednego "down", a neutrony z jednego "up" i dwóch "down".
  • mezony - zbudowane są z pary: kwark - antykwark połączonych tzw. siłą koloru czyli dzięki wymianie gluonów.

Wszystkie kwarki mają spin ½. Charakterystyczne dla nich jest posiadanie niecałkowitego ładunku elektrycznego. Niektóre mają ładunek równy 2/3 ładunku elementarnego a inne -1/3.

Kwarki poddają się oddziaływaniu siły koloru. Nośnikami koloru są gluony, które są odpowiednikami fotonów.

Kwarki występują w trzech barwach: czerwony, zielony i niebieski, oraz w 6 zapachach: górny, dolny, dziwny, powabny, szczytowy i spodni.

Kwarki charakteryzują się tym, że nigdy ni występują pojedynczo, zawsze stanowią element składowy innej cząstki. Zatem ładunek hadronu zawsze jest liczbą całkowitą. Hadrony również nie maja koloru.

Drugą grupę cząstek elementarnych stanowią leptony. Do leptonów zalicza się: elektrony, miony, taony, oraz neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe. . Są to cząstki, które nie oddziałują silnie. Uważa się, że nie mają one żadnej struktury wewnętrznej. Każdy lepton posiada swój odpowiednik każdego świecie antymaterii. Antyleptony mają identyczną masę ale ładunek każdego przeciwnym znaku niż odpowiadające im leptony. Leptony mogą istnieć niezależnie od innych cząstek.

Taką budowę świata, z kwarków i leptonów, zakłada model standardowy. Wg niego są to jedyne cząstki prawdziwie elementarne i stanowią najmniejsze elementy składowe wszystkich innych cząstek. Do cząstek elementarnych zalicza się także bozony pośredniczące lub inaczej przenoszące oddziaływania. Są to gluony czyli nośniki oddziaływań silnych, bozony pośrednie czyli nośniki oddziaływania słabego , fotony - nośniki oddziaływania elektromagnetycznego oraz grawitony czyli nośniki oddziaływań grawitacyjnych.

Model standardowy wypowiada się również na temat sił działających między cząstkami. Wymienia cztery podstawowe oddziaływania, które nazywa się siłami natury. Mowa tu o oddziaływaniu grawitacyjnym, elektromagnetycznym, słabym oddziaływaniu jądrowym oraz o sile koloru.

Prawdopodobni istnieje jeszcze jeden nie opisany dotychczas rodzaj oddziaływania. Zachodzi ono między elektronami i kwarkami. Wszystko wskazuje więc na to , że w niedługim czasie będzie można rozszerzyć założenia modelu standardowego.

Warto zastanowić się co dzieje się z materią w wysokich temperaturach osiągających wartość kilka tysięcy stopni C. Okazuje się, że w takich temperaturach pojawia się dodatkowy stan skupienia materii czyli plazma. W stanie tym występują zjonizowane atomy i swobodne elektrony. Po pewnym czasie dochodzi do ustalenia się stanu równowagi dla danej temperatury.

Natomiast jeżeli temperatura wzrośnie do kilku milionów stopni to na skutek zderzeń protonów i elektronów będą powstawały neutrony, które będą się rozpadać. W rezultacie dojdzie także do powstania dużej ilości neutrin.

Gdy temperatura jest jeszcze wyższa i zapewniona została odpowiednia gęstość materii to dochodzi do powstania tzw. plazmy kwarkowo - gluonowej. Plazma taka prawdopodobnie istniała zaraz po Wielkim Wybuchu czyli po narodzinach Wszechświata.

W takim stanie poszczególne hadrony nie są w stanie istnieć. Dlatego ulegają rozpadowi na kwarki i gluony. Gdy temperatura spadłaby tak jak to miało miejsce po Wielkim Wybuchu to nastąpiłoby przejście fazowe kwarkowo - hadronowe. Czas życia plazmy kwarkowo - gluonowej po Wielkim Wybuchu szacowany jest na ok. 10sekundy.

Planuje się przeprowadzenie eksperymentów na akceleratorach z wysokoenergetycznymi jądrami, które mogłyby prowadzić do odtworzenia w laboratorium, w mikroskali, warunków Wielkiego Wybuchu.

Eksperymenty w CERN oraz w Narodowym Laboratorium Brookhaven zdążają właśnie do osiągnięcia takich gęstości i energii, aby doszło do odtworzenia plazmy. W zastosowanych technikach wykorzystuje się jądra pierwiastków ciężkich (np. złoto). Są one przyspieszane do prędkości prawie równej prędkości światła i ulegają zderzeniom czołowym.

Dla wszystkich opisanych zdarzeń obowiązuje jedna zasada dotycząca energii zderzeń termicznych. Mianowicie jeśli jest ona na tyle duża, aby doprowadzić do powstania nowych niestabilnych i cięższych cząstek to dochodzi w końcu do ustalenia się stanu równowagi. Tak więc ilość cząstek cięższych w stosunku to lżejszych jest stała dla danej temperatury.

Ewolucja gwiazd

Gwiazdy zaczynają się kształtować z gazowo - pyłowej materii międzygwiazdowej. W pewnym momencie zostaje zapoczątkowany proces kurczenia się obłoków materii międzygwiazdowej. Dzieje się tak pod wpływem własnego przyciągania grawitacyjnego. W efekcie dochodzi do powstania dużej liczby zagęszczeń.

Obłok gazowy zaczyna się kurczyć, gdy zostanie przez niego spełnione tzw. kryterium Jansena. Kryterium to definiuje masę, gęstość i temperaturę takiego obłoku. Na skutek ciągłego zmniejszania objętości atomy w obłoku coraz częściej zderzają się ze sobą. Mają także coraz większe prędkości. Wszystko to prowadzi do podwyższenia temperatury obłoku. Takie kurczące się fragmenty materii międzygwiazdowej dają początek protogwiazdom. W końcowym etapie temperatura jest tak wysoka, że zderzające się jądra wodoru w końcu tworzą jądra helu. Na skutek tych procesów dochodzi do wydzielania dużej ilości ciepła i gwiazda zaczyna świecić.

Gdy zostaną zapoczątkowane reakcje jądrowe wówczas następuje przekształcenie protogwiazdy w gwiazdę.

Reakcje termojądrowe prowadza do przekształcania wodoru w hel. Może to się odbywać na drodze dwóch procesów. Pierwszy z nich to cykl protonowo - protonowy, a drugi to cykl azotowo - węglowy.

Nowo powstała gwiazda znajduje się na tzw. ciągu głównym. Na tym etapie ewolucji gwiazda spędza nawet do 90 procent swojego życia. Dalsza ewolucja gwiazdy uzależniona jest od jej masy.

Jeśli zaś chodzi o ewolucję materii w trakcie powstawania Wszechświata to przypuszcza się, że wodór i hel czyli dwa najczęściej występujące pierwiastki powstały w pierwszych minutach istnienia Wszechświata. Podejrzewa się, że pierwiastki ciężkie zawdzięczają swoje powstanie reakcjom jądrowym we wnętrzach gwiazd.

W pierwszym okresie istnienia Wszechświata powstawały gwiazdy składające się głównie z helu i wodoru. Są to gwiazdy tzw. trzeciej generacji. To właśnie w tych gwiazdach dochodziło do syntezy cięższych pierwiastków, które następnie weszły w skład materii międzygwiazdowej.