اگر کل کائنات را جستجو کنیم با کمال شگفتی در می یابیم که نود در صد ماده عالم را هیدروژن و نه در صد آن را هلیوم تشکیل می دهد.صد عنصر باقیمانده، موسوم به عناصر سنگین، فقط یک در صد ماده موجود در عالم را تشکیل می دهند! البته سیاره ای مانند زمین واجد عناصر سنگین بیشتری است اما فراوانی عناصر زمین معیار خوبی برای محاسبه فراوانی کیهانی عناصر نیست.
ساده ترین عنصر جدول تناوبی هیدروژن می باشد.هر مولکول هیدروژن از دو اتم مقید به یکدیگر ساخته شده است.اگر بتوانیم انرژی کافی برای غلبه بر این انرژی پیوندی را تامین کنیم، آن گاه مولکول هیدروژن شکسته خواهد شد و دو اتم از هم مجزا می شوند.راه شکستن مولکول هیدروژن دمای زیاد است تا جنبش مولکولی زیاد شودو با برخورد مولکولها با هم اتم ها از هم جدا شوند.
اگر باز هم انرزی بیشتری به گاز هیدروژن وارد کنیم وآن را حرارت دهیم.اتم های هیدروژن به ذرات کوچکتر شکسته می شوند.هر اتم از هسته و ذراتی به نام الکترون که به دور هسته در حال گردش هستند تشکیل شده است.هسته همه اتم ها از نوترون و پروتون تشکیل شده است.الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت است، اما نوترون بار الکتریکی ندارد.هسته اتم هیدروژن تنها از پروتون تشکیل شده است.پس باوارد کردن انرژی بیشتر به سیستم اتم های هیدروژن به الکترون و پروتون شکسته می شوند.
اگر بخواهیم پیوند ما بین الکترون و پروتون را بشکنیم به انرژی فوق العاده زیادی نیاز داریم در این صورت تعادل بارهای اتم به هم می خورد ، به هسته باقی مانده "یون" گفته می شود.به حالتی از ماده که شامل بارهای مثبت و منفی جدا از هم است "پلاسما" گفته می شود.
ما در طبیعت چهار نوع نیرو داریم1-نیروی هسته ای قوی 2- نیروی هسته ای ضعیف3- نیروی الکترومغناطیسی 4- نیروی گرانش
نیروی هسته ای قوی زمانی خود را نشان می دهد که دو ذره مانند دوپروتون خیلی به هم نزدیک شوند. نیروی هسته ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی تنها دو جنبه از نیروی واحدند که از تاثیر تفاوت بار الکتریکی ذرات حاصل می شوند.نیروی الکترومغناطیس بین ذرات مختلف بار دار ایجاد می شود. وقتی ذرات در تعامل بالای انرژی باشند این دو نیرو بصورت واحد خود را نشان می دهند اما در انرژی های پایین تر مجزا می شوند..نیروی گرانش نیروی جاذبه ذرات است و خود را در همه ذرات و اجرام آسمانی نشان می دهد مانند نیروی گرانش سیارات، ستارگان، کهکشانها و...
یک نیرویی موسوم به" نیروی قوی" مقید است از هم پاشیدگی هسته جلوگیری کند.اگر بتوانیم بر این نیرو غلبه کنیم هسته اتم شکسته می شود، به این فرآیند" شکافت هسته ای" گفته می شود.اگر دو هسته اتم را در حرارت بسیار بالا قرار دهیم دو هسته به هم پیوند خورده و عنصر جدیدی ساخته می شود.به این فرآیند "گداخت هسته ای" گفته می شود.عناصر سنگین طی فرآیند شکافت انرژی آزاد می کنند، در حالی که عناصر سبک در فرآیندگداخت انرژی تو لید می کنند.
چنانچه دو مولکول یا دو اتم با سرعت زیاد با یکدیگر برخورد داده شوند،می توانیم انرژی کافی برای غلبه بر انرژی های قیدی مولکولی یا اتمی را تامین کنیم.به همین ترتیب با بزخورد دو هسته با سرعت خیلی زیاد می توانیم انرژی لازم برای غلبه بر انرژی قیدی هسته ای را فراهم کنیم.با شکافت هسته های نیتروژن و هلیوم در چنین برخوردهای پر انرژی، در حقیقت این هسته ها را به اکسیژن و هیدروژن تبدیل کرده ایم.بنابر این با در اختیار داشتن انرژی هایی به اندازه کافی زیاد،این امکان وجود دارد که یک عنصر را به عنصری دیگر تبدیل کرد.
اگر کاری کنیم تا دو پروتون در سرعت خیلی زیاد به هم برخورد کنند.می توانیم به ذرات بنیادی هسته دست پیدا کنیم.البته این علم جدیدی در فیزیک می باشدبه نام"فیزیک کوانتومی" که دانشمندان به ذرات بنیادی دست یافته اند.این دو ذره بنیادی "کوارک" و "لپتون" هستند.در فیزیک بنیادی هر ذره در طبیعت دارای ضد ذره یا "پاد ذره" است.پادذره الکترون "پوزیتون" می باشد،که برخلاف الکترون دارای بار مثبت است.پادذره پروتون و نوترون "پادپروتون"و " پادنوترون" هستند.اما یادذرات چگونه بوجود می آیند؟ دربرخورد انرزی بالا، بخشی از انرژی جنبشی به ماده تبدیل می شود، و با انتخاب مناسب ذرات برخورد کننده پادذرات تولید می شوند.
هنگامی که ذره بار دار با پادذره اش برخورد می کند انرزی کل آنها به تابش تبدیل می شود.مثلا وقتی الکترون و پوزیتون به هم برخورد می کنند پس از نابودی یکدیگر،انرژی کل آنها به صورت دو فوتون به تابش در می آید.بر عکس می توانیم فوتون های پر انرژی را به ذره و یاد ذره تبدیل کنیم!
این حقیقت ما را به سوی چگونگی بوجود آمدن ذرات بنیادی رهنمون می کند.در زمان لحظه صفر ماده از فضای خالی بوجود آمده است. چرا که اگر به یک محیط پلاسمایی انرژی وارد کنیم، همه ذرات به فوتون تبدیل می شوند.در حقیقت معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهد که عالم به علت افت وخیزهای کوانتومی بطور خود بخود از خلاء بوجود آمده است. بطور قطع ما انتظار دارم که برای تشکیل و انبساط ماده به انرژی نیاز داریم. اما اگر ماده از فضای خالی بوجود آمده باشد،تعادل انرژی که یکی از اصول مسلم فیزیک است بهم خواهد خورد. در حقیفت این همان سوال است که ذهن همه فلاسفه را به خود مشغول کرده است که: چگونه می تواند چیزی از هیچ بوجودآید؟
چون نیروی گرانشی منفی است(گفتیم که نیروی گرانش همیشه بصورت جاذبه می باشد) این انرژی منفی با انرژی مثبت انبساط ماده(جهان در لحظه بوجود آمدن با سرعت در حال انبساط است) حالت تعادل ایجاد می کند،در نتیجه انرژی کل صفر می شود.معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهد که ماده تنها از همین افت و خیزهای کوانتومی خودبخود از خلاء بوجود می آید.البته خلاء نظریه کوانتوم همان خالی بودن نظریه کلاسیک نیست.ذرات به طور پیوسته خلق و نابود می شوندو میدان افت و خیز دارند.ریاضیات این مدل ها نشان می دهند که چنین حالتی می تواند به خلق دنیای مادی منجر شود.
از منظر دیگر دانشمندان دریافتند در سطوح برخورد انرژی های عظیم،نیروی ضعیف با نیروی الکترومغناطیس با هم می آمیزد و با ایجاد نیروی واحدی به نام "نیروی الکتروویک" که اثر خود را توسط ذره ای که نامش را "Z"نهاده اند بروز می دهد.باردیگر باز هم با افزایش حرارت و در اثر برخورد انرژی های بالاتر ذره ای دیگر به نام "X"پدیدار می گردد.وقتی باز هم بر حرارت و انرژی ذرات اضافه شود،ذره ماده پدیدار می گردد.در این زمان همه نیروهای موجود به شکل نیروی واحدی هستند که انشتین آن را "فرضیه همبستگی عظیم" نام نهاد و پس از کشف فرضیه نسبیت، سالهای آخر عمر خود را صرف آن کرد اما به نتیجه نهایی نرسید.
در سال 1983برای نخستین بار ذرهZ توسط دستگاه بسیار عظیم "اتم شتاب"، در اعماق زمین بین مرزهای دو کشور فرانسه و سوئیس توسط دانشمندان تولید شد،و بدین ترتیب انسان توانست از مسیر ماهیت درونی این ذرات که تشکیل دهنده کائنات است، لحظه ای پس از زایش، عکس برداری کند.برای اینکه بتوانیم ذره Xرا تولید کنیم باید دستگاهی داشته باشیم که وسعت آن به اندازه منظومه شمسی باشد! و برای متحد کردن همه نیروهای موجود در ذرات باید وسیله ای به اندازه کهکشان راه شیری داشته باشیم!