Yirminci yüzyılın başında bilim adamları doğanın en temel
prensiplerini anladıklarına inandılar: örneğin, atomların doğanın katı yapı
taşları olduğu, Newtonian’un hareket kanununun doğruluğu, fizik proemlerinin
pek çoğunun çözüldüğü gibi. Ancak Newtonian mekaniğin yerini Einstein
relativite teorisinin almasıyla bilim dünyası zaman içinde ellerindekilerin
yetersizliğini anlamaya başladılar. Özellikle kuantum mekaniği alanındaki
büyüme, fiziğin temel kurallarını tümüyle değiştirdi.
1900: Max Planck (Fizik Nobel Ödülü 1918), atomların kuanta denilen elektromagnetik
ışını (enerji demetleri) absorbladığını veya emitlediğini ileri sürdü. Kuantum
kavramı Newtonian fiziğine karşıt bir yorum olarak görüldü. Plank, kuantum
teorisiyle ışığın enerjisinin (bir foton) frekansıyla doğru orantılı olduğunu
da ileri sürdü; bu kavram önemli fiziksel fenomenlerin açıklanmasını sağladı.
Planck sabiti bir fotonun enerjisini ışığın frekansıyla ilişkilendirir. Işık
hızı sabit olduğunca Planck sabiti (h
= 6.626 x 10−34 Joule-saniye) doğanın temel bir
sabitidir. Planck’ın çalışmalarından önce elektromagnetik radyasyonun (ışık),
sınırsız sayıda frekans ve dalga boylarında dalgalar halinde yayıldığı
düşünülüyordu. Planck, sıcak objelerden emitlenen sınırlı sayıdaki ışık
spektrumuna odaklandı.
1905: Albert Einstein (Fizik Nobel Ödülü 1921), bir ışık kuantumunun (foton) partikül
gibi davrandığını ileri süren Planck’ın görüşlerini ciddi olarak dikkate alan
bilim adamlarından biridir.
Albert Einstein, özel görelilik ve genel görelilik kuramları
ile iki yüzyıldır Newton mekaniğinin hakim olduğu uzay anlayışında bir devrim
yarattı.
Kütle-enerji eşdeğerliğiyle (E = mc2) yıldızların
nasıl enerji oluşturduğuna açıklama getirdi, nükleer teknolojinin önünü açtı.
Fotoelektrik etki ve Brown hareketine getirdiği matematiksel
açıklamalar, modern fiziğe diğer katkıları arasındadır. Brown hareketi ve istatistiksel fizikle ilgili olarak, Einstein hareket
ile molekül büyüklüğü arasındaki matematik ilişkiyi saptayarak molekül ve
atomların büyüklüğünün hesaplanmasını sağladı.
Einstein kuantum mekaniğinin
bazı sonuçlarına, özellikle belirsizlik ilkesine oldukça şüpheci yaklaştı fakat
bu yaklaşımlar ileride geniş kabul görmüştür.
1909: Hans Geiger (1882-1945)) ve Ernest
Marsden (1889-1970) (, (Ernest Rutherford yönetiminde) alfa
partiküllerinin saçılmasını (altın bir folyo kullanarak) inceledi, saçılma
açılarını gözledi ve atomların küçük, yoğun ve pozitif yüklü bir çekirdeği
olduğu yorumunu ileri sürdü.
1911: Ernest Rutherford (1871-1937), alfa-saçılma deneylerinin (Hans Geiger ve Ernest
Marsden’in) sonuunda çekirdeği tanımladı
1912: Albert Einstein (1879-1955) uzay-zaman bükülmesini
açıkladı.
1913: Niels Bohr (Fizik Nobel Ödülü 1922), kuantum görüşüne dayanan bir atomik
yapı teorisi geliştirdi. Bohr, Planck’ın radyasyonun kuantum teorisi üzerinde
başladığı çalışmalarına, J.J. Thompson ve E. Rutherford ile atomun klasik modelini
kuantum teorisiyle geliştirmeye devam etti. Bu zaman içinde Bohr kendi atomik
yapı modelini geliştirdi. Bohr modeline göre uyarılan bir enerji bulunduğu temel
halden, daha yüksek enerjili bir orbitale atlar. Uyarılan atom kuantize miktarlarda
enerji emitleyerek elektronlarının çekirdeğe daha yakın enerji orbitlerine geri
dönmesini sağlayabilir.
Bu fazla enerji elektromagnetik radyasyon (ışık fotonu) kuantasıdır ve
elektronun atlama yaptığı orbitler arasındaki enerji farkına eşittir. E = Eson-Eilk
= hn
(h Planck sabitidir).
1919: Ernest Rutherford (1871-1937) bir proton için ilk kanıtı buldu.
1921: James Chadwick (Fizik Nobel Ödülü 1935) ve E.S. Bieler (1895-1929) ,
çekirdeği bazı şiddetli kuvvetlerin bir arada tuttğu sonucunu elde etti.
1923: Arthur Compton (Fizik Nobel Ödülü 1927)
X-ışınlarının kuantum (partikül) doğasını keşfetti, böylece fotonların partikül
özelliği doğrulandı.
1924: Louis de Broglie (Fizik Nobel Ödülü 1929) elektronların dalga özelliğini öne
sürerek tüm maddelerin dalga özelliğine sahip olduğu önerisini ileri sürdü. Bu
kavram de Broglie hipotezi olarak tanındı (dalga-partikül ikiliği); hipoteze
göre, dalga boyu (buna de Broglie
dalga boyu da denir), bir partikülün momentiyle ters orantılıdır.
1925: Wolfgang Pauli (Fizik Nobel Ödülü 1945) bir atomdaki elektronlar için dışlama
(exclusion) prensibini formüllendirdi; bir atomda özdeş iki elektron aynı anda
aynı kuantum halini (enerji halini) işgal edemez. Pauli'ye göre, bir orbitale
spini 1/2 olan bir elektron (fermiyon) yerleşmişse, aynı orbitale yerleşen
ikinci fermiyonun spini ters yönde (yani -1/2) olmalıdır. Böylece birbirine
ters yönde spinli iki fermiyonun yer aldığı orbital dolmuş olur. Atomaltı
partiküller satistik davranışlarına bağlı olarak iki gruptur; Pauli dışlama
prensibine uyan fermiyonlar (1/2 spinli) ve uymayan bozonlar (1 spinli).
1925: Walther Bothe (Fizik Nobel Ödülü 1954) ve Hans Geiger atomik proseslerde enerji ve kütlenin korunduğunu örneklerle
açıkladı.
1925: Max Born (Fizik Nobel Ödülü 1954), Niels Bohr'un atom teorisine göre,
elektronlar çekirdeğin çevresinde yörüngeler arasında atlama yaparken sabit dalga
boylarında ışını absorplar ve emitler. Teori, hidrojen atomu tarafından oluşturulan
spektrumun iyi bir tanımını sağlamıştır, ancak daha karmaşık atomlara ve
moleküllere uyacak şekilde geliştirilmesi gerekiyordu. Werner Heisenberg'in
1925'teki ilk çalışmasının ardından Max Born kuantum mekaniğinin daha da geliştirilmesine
katkıda bulundu. Ayrıca Erwin Schrödinger'in dalga denkleminin, değişkenliğe
ilişkin istatistiksel (tam değil) tahminleri verdiği şeklinde yorumlanabileceğini
de kanıtladı.
1926: Erwin Schrödinger
(Fizik Nobel Ödülü 1933), bozonlar için kuantum sisteminin
davranışını tanımlayan dalga mekaniğini geliştirdi. Maddenin (örneğin elektronlar)
hem partikül hem de dalgalar olarak kabul edilebileceğini varsayarsak, 1926'da,
elektronların atomların enerji seviyelerini doğru bir şekilde hesaplayan bir
dalga denklemi oluşturdu. Max Born, kuantum
mekaniğine bir olasılık yorumu getirdi. G.N.
Lewis, bir ışık kuantumu için “foton” adını önerdi.
1927: Elektron çıkışı (beta
decay) olan bazı malzemeler gözlendi. Atom ve çekirdek farklı enerji
seviyelerine sahip olduğundan, geçişte sürekli spektruma sahip ne kadar
elektron üretildiğini görmek zordur. (Cevabı 1930’da veridi.)
1927: Werner Heisenberg (Fizik
Nobel Ödülü 1932) “belirsizlik prensibini (uncertainty principle)
ileri sürdü; buna göre bir sistemin iki tamamlayıcı özelliği, (konum ve
momentum gibi) aynı anda tam doğrulukla ölçülemez. Bu önerme partiküllerin çift
doğasını (örneğin, ışının hem dalga ve hem de partikül özelliği) güçlendirdi;
yani, elektromagnetik radyasyon (spektrumun bir bölgesi görünür ışıktır) dalga
ve partikül özelliğini birarada içerir. Heisenberg’in
Belirsizlik Prensibine göre, momentum ve konumun (pozisyonun)
eşzamanlı (simultane) ölçümündeki belirsizlik daima sabit bir miktardan daha
büyüktür; yaklaşık olarak Planck sabitine eşittir (Dx Dp ³ h). x ve p değerlerinin aynı anda doğru
olarak ölçülmesi imkansızdır; veya, iki parametreden birinin belirsizliğine
razı olmadıkça diğeri tam olarak saptanamaz.
1928: Paul Dirac (Fizik Nobel Ödülü 1922) elektronu tanımlarken kuantum mekaniği
ve özel relativiteyi birleştirdi. Atomaltı partikülleri tanımlamada önemli gelişmeler
kaydetti.
1930: Wolfgang Pauli, beta çıkışı (1900-1958)
(decay) için sürekli elektron spektrumunu açıklamada neutrinoyu önerdi.
1931: Paul Dirac (1902-1984) denklemiyle pozitif yüklü partiküllerin
varlığını kanıtladı; bu yeni objelere “pozitron” adını verdi. Antipartiküllerin
ilk örneği olan pozitronlar tam olarak elektronlar gibidir, fakat pozitif
yüklüdür.
1931: James Chadwick (Fizik Nobel Ödülü 1935) nötronu keşfetti. Nükleer bağlanma
ve bozulma (decay) mekanizması temel problemler oldu.
1931: Linus
Pauling (Fizik Nobel Ödülü 1954), iki farklı atomun iki elektronunun
kovalent bağ yapmasını kuantum mekaniğiyle açıkladı. Pauling'in çalışmasının
kimyasal reaksiyonlara kuantum teorisinin uygulanmasıda çok önemli katkısı olmuştur.
1932: Carl D. Anderson ((Fizik Nobel Ödülü 1936),
kuantum mekanik teorinin geliştirilmesinde Paul Dirac, tüm maddelerin
bir ayna görüntüsü-karşımadde ihtiva edeceğini öngördü. Bir partikül ve onun
antipartikülü, şarj edilirse, zıt şarjlara sahip olmalıdır. 1932'de Carl
Anderson bir bulut odasında kozmik ışın partiküllerinin izlerini inceleyerek,
bir elektronunkine benzer bir kütleli pozitif yüklü bir partikül keşfetti. Carl
Anderson'ın partikülü, deneyle kanıtlanmış ilk antipartiküldür ve bir
"pozitron" olarak adlandırılmıştır.
1933-34: Enrico Fermi (Fizik Nobel Ödülü 1938) beta çıkışı için bir teori
geliştirdi; bu teori, zayıf etkileşimleri ortaya koydu. Böylece nötrinolar ve
partikül çeşnilerin (flavor) kullanıldığı ilk teori oldu.
1933-34: Hideki Yukawa (Fizik Nobel Ödülü 1949), relativite ve kuantum teorisini
birleştirerek protonlar ve nötronlar arasında yeni partiküllerin değiştokuşuyla
(“pionlar” denilen mezonlar) meydana gelen çekirdek etkileşimlerini tanımladı.
Çekirdeğin büyüklüğünden, varsayımsal partiküllerin (mezonlar) kütlesinin,
elektronun 200 katı kadar olduğu sonucunu çıkardı. Bu çalışma nükleer
kuvvetlerin mezon teorisinin başlangıcı oldu.
1937: Kozmik ışınlarda
elektron kütlesinin 200 katı bir tanecik keşfedildi. Başlangçta fizikçiler
bunun Yukawa'nın pion’u olduğunu düşündüler, ancak daha sonra bir müon olduğu
keşfedildi.
1938: E.C.G. Stuckelberg (1905-1984), proton ve
nötronların, elektronlar, nötrinolar, müonlar veya bunların antipartiküllerinin
herhangi bir kombinasyonuna decay olamayacağını gözledi. Protonon
kararlılığının enerji veya yük korunumuyla açıklanamayacağını, ağır
partiküllerin bağımsız bir korunumları olduğu önerisini ileri sürdü.
1938: Isaac
Isidor Rabi (Fizik Nobel Ödülü 1944), çekirdeklerdeki protonlar ve
nötronlar küçük, dönen mıknatıslar gibi hareket eder. Atomlar ve moleküller bu
nedenle magnetik bir alanda hizalanırlar. 1938'de Isaac Isidor Rabi bir
magnetik alan üzerinden bir molekül demetini geçirdi. Işın radyo dalgalarına
maruz kaldığında, dönüş yönü, ancak kuantum mekaniğine uygun olarak belirli
aşamalarda değiştirilebilir. Atomlar orijinal pozisyonlarına döndüklerinde,
karakteristik frekanslara sahip elektromagnetik ışın yayar.
1938: Otto Hahn (Fizik
Nobel Ödülü 1944) ve çalışma arkadaşları ağır elementlerin nükleer
fizyonunu keşfettiler; (1939’da teorik olarak açıklandı).
1941: C. Moller (1904-1980) ve Abraham Pais (1918-2000),
protonlar ve nötronlar için “nükleon” terimini kullandı.
1946-47: Fizikçiler
kozmik ışın partikülünün “müon” değil, Yukawa'nın mezon’u olduğunu kanıtladı;
böylece maddenin ikinci jenerasyonunun ilk partikülü bulundu. Tamamen
beklenmedik bu keşif için I.I. Rabi,
‘bunu kim ısmarladı ki?’ demiştir. Çok kuvvetli etkileşmeyen objeler “lepton”
terimiyle tanımlanmaya başlandı. (elektronlar ve müonlar leptondur)
1947: Kuvvetli
etkileşim yapan bir mezon (kozmik ışınlarda bulunur) bir pion (pi mezon) olarak
tayin edilir. (Pionlar en hafif mezonlardır)
1947: Fizikçiler
elektronlar, pozitronlar ve fotonların elektromagnetik özelliklerini
hesaplayacak işlemler geliştirdiler. Feynman diyagramlarına giriş başladı.
1948: Julian Schwinger (Fizik Nobel Ödülü 1965); Relativite teorisinin ve kuantum
mekaniğinin kurulmasının ardından, yüklü partiküller ve elektromagnetik alanlar
arasındaki etkileşim için başlangıç relativite teorisi formüle edildi; ancak
kısmen, çünkü elektronun manyetik momentinin beklenenden biraz daha büyük olduğu
kanıtlandığından teori yeniden formüle edilmesi gerekti. Julian Schwinger
1948'de "renormalizasyon" yoluyla bu sorunu çözdü ve böylece yeni bir
kuantum elektrodinamiğine katkıda bulundu.
1948: Sin-Itiro Tomonaga (Fizik Nobel Ödülü 1965); Yüklü partiküller ve elektromagnetik
alanlar arasındaki etkileşim için başlangıç relativite teorisi formüle edilmesininde
ortaya çıkan, bir hidrojen atomu içindeki varsayılan tek enerji seviyesinin iki
benzer seviyede olduğu sorununu (lamba kayması) Sin-Itiro Tomonga 1948'de
"renormalizasyon" yoluyla çözdü ve böylece yeni bir kuantum elektrodinamiğine
katkıda bulundu.
1948: Richard Feynman (Fizik
Nobel Ödülü 1965), Feynman diyagramlarını sunarak yeni bir kuantum
elektrodinamiği yaratmaya katkıda bulundu; farklı partiküller arasındaki
çeşitli etkileşimlerin grafik gösterimleri. Bu diyagramlar, etkileşim olasılıklarının
hesaplanmasını kolaylaştırmıştır.
1948: Berkeleyde,
senkronize-siklotronda ilk yapay pionlar üretildi.
1949: Enrico Fermi (1901-1954) ve
C.N. Yang (1922- ) bir
pionun, bir çekirdek ve bir antiçekirdeğin kompozit bir yapısı olduğunu öne
sürdü. Bu kompozit partiküller fikri oldukça radikal bir düşünceydi.
1949: K+
keşfedildi. (Decay yoluyla)
1950: Nötron
pionlar keşfedildi.
1951: Kozmik
ışınlarda yeni tip partiküller keşfedildi; bunlara, lamda ve K denildi.
1952: Delta
partikülü keşfedildi; delta++, delta+, delta0,
and delta.
1952: Donald Glaser (Fizik Nobel Ödülü 1960)
kabarcık odasını icat etti; Brookhaven Cosmotron, 1.3 GeV hızlandırıcı
çalıştırılmaya başlandı. Donald Glaser'ın kabarcık odası keşfi, partiküllerle
yüksek enerjilerde çalışmayı sağlamıştır. Yüklü partiküller, kaynama noktasına
yakın bir sıvıyla dolu bölme boyunca ileri doğru akın ederken, içerdikleri
atomları iyonize ederler. Bölmenin basıncı daha sonra düştüğünde, bu yüklü atomların
etrafında kabarcıklar oluşur. Partiküllerin izleri daha sonra fotoğraflanabilir
ve analiz edilebilir.
1953: “Partikül
patlaması”nın başlaması-gerçek bir partiküller çoğalması.
1953-1957: Elektronların
çekirdek dışındaki saçılmaları, protonlar (hatta nötronlar) içinde bir yük
yoğunluğu dağılımı olduğunu ortaya çıkardı. Proton ve nötronların bu
elektromagnetik yapı tanımı, (bunların hâlâ temel partiküller olarak kabul
edilmesine rağmen) bu objelerin bazı iç yapı incelemelerinde önerildi.
1954: C.N. Yang (1922- ) ve
Robert Mills (1927 –1999)
“geyç (gauge) teorileri" denilen yeni bir teoriler sınıf geliştirdi. Bu
tarihte uygulanamamasına rağmen, günümüzdeki “Standart Model” formu bu tip
teoriye dayanır.
1955: Emilio
Segrè ve Owen Chamberlain (İkisi için de
Fizik
Nobel Ödülü 1959), güçlü bir partikül hızlandırıcısı ile, protonun
antipartikülünün (antiproton) varlığını doğruladılar.
1956: Chen Ning Yang veTsung
Dao Lee (İkisi için deFizik Nobel Ödülü 1957), sol-sağ
simetri yasasının zayıf etkileşim tarafından bozulduğuna dair bir teori
oluşturdular. Bir kobalt izotopunun beta bozunması sırasında elektronların hareket
yönünün ölçümleri bunu doğruladı.
1957: Julian Schwinger (1918-1994) zayıf
ve elektromagnetik etkileşimlerin birleştirilmesini öneren bir paper yazdı.
1957-1959: Julian Schwinger(1918-1994), Sidney Bludman (1927- ), Sheldon Glashow (1932-.) ayrı ayrı
yazdıkları paper’larda tüm zayıf etkileşimlerinin, yüklü ağır bozonların (daha
sonra bunlar W+ ve W- adıyla tanımlandı ) aracılığıyla
olduğunu öne sürdüler. Bozon değiştokuşunu ilk olarak yirmi yıl önce Yukava
tartışmaya açmış, fakat zayıf kuvvetlerin aracısı olarak pion’u önermişti.
1960: Yoichiro
Nambu (Fizik Nobel Ödülü 2008), simetri ihlallerini tanımlamada,
elementer partiküller ve etkileşimlerini
daha iyi anlamak için temel oluşturan matematiksel bir teori geliştirmiştir.
1961: Bilinen
partiküllerin sayısı artarken, fizikçilerin partikül tipi paternlerini tanımalarına
yardımcı olan, partikülleri organize eden matematiksel bir sınıflandırma
şeması-grup SU(3)-hazırlandı.
1962: Denemeler, iki farklı
tip nötrino bulunduğunu doğruladı; elektronlar ve müon nötrinolar.
