Moderne fysica tot 1964 Quantumtheorie en deeltjesexplosie Aan het begin van de twintigste eeuw dachten natuurkundigen dat ze de fundamentele principes van de natuur begrepen. Atomen waren massieve bouwstenen van de materie; men vertrouwde de bewegingswetten van Newton; de meeste problemen in de natuurkunde leken te zijn opgelost. Maar de relativiteitstheorie van Einstein en onderzoek aan radioactiviteit deden de onderzoekers beseffen dat ze nog lang niet klaar waren. Een belangrijke groeikern was de quantummechanica, die de grondregels van de fysica geheel veranderde.

Deeltjes die ontdekt werden, 1898 - 1964:

1900	Max Planck oppert dat straling gequantiseerd is (in discrete hoeveelheden verdeeld).
1905	Albert Einstein, een van de weinige geleerden die Planck's idee serieus nemen, komt met het idee van een lichtquantum (het foton) dat zich als deeltje gedraagt. Einstein geeft ook theorieën over: equivalentie van massa en energie, deeltje/golf-dualiteit van het foton, en equivalentie van versnelling en gravitatieveld. En dan ook nog de speciale relativiteitstheorie.
1909	Hans Geiger en Ernest Marsden, onder supervisie van Ernest Rutherford, laten alfa-deeltjes verstrooien door een goudfolie en vinden grote afbuighoeken, wat doet vermoeden dat atomen een kleine, dichte, positief geladen kern hebben.
1911	Ernest Rutherford publiceert zijn model van het atoom met een kern, als resultaat van de verstrooingsexperimenten van Hans Geiger en Ernest Marsden.
1912	Albert Einstein legt uit dat de ruimte gekromd is.
1913	Niels Bohr slaagt erin een theorie op te stellen over de structuur van het atoom, gebaseerd op quantum-ideeën.
1919	Ernest Rutherford vindt de eerste aanwijzing voor een proton (verstrooing van alfa-deeltjes aan waterstof).
1921	James Chadwick en E.S. Bieler (studenten van Rutherford) concluderen dat een onbekende sterke kracht de kern bijeen houdt.
1923	Arthur Compton ontdekt het quantum-karakter van röntgenstraling en bevestigt daarmee dat fotonen deeltjes zijn.
1924	Louis de Broglie veronderstelt dat materie ook golf-eigenschappen heeft.
1925	Wolfgang Pauli formuleert het uitsluitingsprincipe voor elektronen in een atoom. Walther Bothe en Hans Geiger demonstreren dat energie en massa behouden blijven bij atomaire processen.
1926	Erwin Schrödinger ontwikkelt de golfmechanica, die het gedrag van quantumsystemen beschrijft voor bosonen. Max Born geeft een interpretatie van de quantummechanica met waarschijnlijkheid. G.N. Lewis stelt voor het lichtquantum de naam 'foton' voor.
1927	Bij sommige stoffen is waargenomen dat ze elektronen uitzenden (bèta-verval). Omdat zowel atomen als kernen discrete energieniveau's hebben is moeilijk te begrijpen hoe het energie-spectrum continu kan zijn voor elektronen die geproduceerd zijn bij een overgang (in 1930 geeft Pauli de verklaring). Werner Heisenberg formuleert het onzekerheidsprincipe: hoe meer je weet van de energie van een deeltje, des te minder weet je over de tijdsduur van die energie (en andersom). Dit geldt ook voor impuls en plaats.
1928	George Gamow en anderen verklaren de alfa-radioactiviteit met het onzekerheidsprincipe ('tunnel-effect'). Paul Dirac combineert de quantummechanica en de speciale relativiteitstheorie om het elektron te beschrijven.
1930	De quantummechanica en de speciale relativiteitstheorie zijn algemeen aanvaard. Er zijn slechts drie fundamentele deeltjes: proton, elektron en foton. Max Born zegt, als hij de Dirac-vergelijking leert kennen: "De natuurkunde zoals wij die kennen is over zes maanden af." Wolfgang Pauli verklaart het continue energie-spectrum (elke waarde beneden een maximum) van bèta-deeltjes met het neutrino, dat de resterende energie meeneemt.
1931	Paul Dirac beseft dat de positief geladen deeltjes, die zijn relativistische golfvergelijking vereist, nieuwe objecten zijn (hij noemt ze 'positronen'). Ze lijken precies op elektronen, maar hebben tegengestelde lading. Dit is het eerste voorbeeld van een anti-deeltje. James Chadwick ontdekt het neutron. Het mechanisme van kern-binding en -verval wordt het hoofdprobleem.
1933/4	Enrico Fermi komt met een theorie voor het bèta-verval die de zwakke wisselwerking invoert. Dit is de eerste theorie die expliciet neutrino's gebruikt, en verandering van deeltjes-smaak ('flavour'). Hideki Yukawa combineert de relativiteitstheorie met de quantumtheorie om de kernkracht te beschrijven als een uitwisseling van nieuwe deeltjes (mesonen, nu 'pionen' geheten) tussen protonen en neutronen. Uit de afmetingen van de kern leidt Yukawa af dat de massa van het veronderstelde meson ongeveer 200 keer die van het elektron is. Dit is het begin van de mesonentheorie van de kernkracht.
1937	Een deeltje met 200 keer de elektronmassa wordt ontdekt in de kosmische straling. Eerst dachten de natuurkundigen dat dit Yukawa's meson was, maar het bleek later het 'muon' te zijn (1946/7).
1938	E.C.G. Stückelberg merkt op dat zware deeltjes (proton en neutron) niet vervallen in lichtere (elektron, positron, neutrino). De stabiliteit van het proton is niet te verklaren in termen van behoud van energie of elektrische lading. Er moet een behoudswet zijn van zware "lading".
1941	C. Møller en Abraham Pais introduceren de term 'nucleon' als een algemene term voor de protonen en neutronen in de kern.
1946/7	De fysici beseffen dat het deeltje in de kosmische straling dat gezien werd als Yukawa's meson iets anders is: het 'muon', eerste van de tweede generatie van materiedeeltjes. Deze ontdekking is geheel onverwacht, het commentaar van I.I. Rabi is: "wie heeft dat besteld?". De term 'lepton' wordt ingevoerd voor objecten die geen sterke wisselwerking hebben (zoals elektron en muon).
1947	Een meson dat wel sterke wisselwerking kent wordt gevonden in de kosmische straling, het 'pion' (meson van Yukawa). Fysici ontwikkelen methoden om de elektromagnetische eigenschappen te berekenen van elektronen, positronen en fotonen. Eerste gebruik van Feynman-diagrammen.
1948	Het synchro-cyclotron, een deeltjesversneller in Berkeley, produceert de eerste kunstmatige pionen.
1949	Enrico Fermi en C.N. Yang geven aan dat een pion een samengestelde structuur heeft, van een nucleon en een anti-nucleon. Dit is een radicaal idee. Ontdekking van K+, via het verval ervan.
1950	Het neutrale pion wordt ontdekt.
1951	Twee nieuwe typen deeltjes worden ontdekt in de kosmische straling. Uit de V-vormige sporen van geladen deeltjes wordt gereconstrueerd welk neutraal object vervallen moet zijn. De deeltjes worden genoemd lambda0 en K0.
1952	Ontdekking van een deeltje genoemd delta. Het zijn er vier: delta++, delta+, delta0, en delta–. Donald Glaser vindt het bellenvat uit. In Brookhaven wordt het Cosmotron operationeel, een versneller voor 1,3 GeV.
1953	Het begin van een "deeltjes-explosie", een ware proliferatie van deeltjes.
1953 - '57	Verstrooiing van elektronen aan kernen onthult een verdeling van de ladingsdichtheid binnen protonen, en zelfs binnen neutronen. De beschrijving van deze elektromagnetische structuur wijst op een of andere inwendige opbouw van deze objecten, hoewel ze nog steeds opgevat worden als fundamentele deeltjes.
1954	C.N. Yang en Robert Mills ontwikkelen een nieuwe klasse van theorieën, 'ijktheorieën' genoemd. Dit type theorie zal later de basis vormen voor het Standaardmodel.
1956	Frederick Reines en Clyde Cowan delen Pauli mee dat ze zijn neutrino hebben gedetecteerd.
1957	Julian Schwinger stelt unificatie voor van de zwakke en de elektromagnetische wisselwerking.
1957 - '59	Julian Schwinger, Sidney Bludman, en Sheldon Glashow overwegen, in afzonderlijke artikelen, dat alle zwakke interacties bemiddeld worden door geladen zware bosonen, later genoemd W+ en W–. Twintig jaar eerder noemde Yukawa voor het eerst de boson-uitwisseling (een meson als wisselwerkingsdeeltje van de sterke kracht).
1961	Het aantal bekende deeltjes blijft toenemen, en een wiskundig classificatieschema, de groep SU(3), helpt de natuurkundigen om patronen te vinden van typen deeltjes.
1962	Experimenten bevestigen dat er twee soorten neutrino's zijn, elektron- en muon-neutrino, zoals eerder was afgeleid uit de theorie.

Woordenlijst