Atomisme, dat wil zeggen, de leer van het bestaan van de kleinste ondeelbare deeltjes waaruit de materie bestaat, ontstond lang voordat wetenschappers de bepalingen ervan experimenteel konden verifiëren. Toen ze dat deden, bleek echter dat de microkosmos niet alleen gevuld is met atomen, maar ook met nog kleinere deeltjes die verbazingwekkende eigenschappen vertonen.
De heer Lubin microkosmos
Het concept van "atoom" werd weer wetenschappelijk gebruikt door John Dalton, een onderwijzer uit Manchester, die in het begin van de 19e eeuw een overtuigende theorie over chemische interactie bedacht. Hij kwam tot de conclusie dat er in de natuur eenvoudige substanties zijn, die hij ‘elementen’ noemde, en elk bestaat uit atomen die alleen voor hem kenmerkend zijn. Dalton introduceerde ook het concept van atoomgewicht, waardoor de elementen konden worden geordend binnen het beroemde periodiek systeem, voorgesteld door Dmitry Mendeleev in maart 1869.
Het feit dat er naast atomen nog enkele andere deeltjes zijn, begonnen wetenschappers te raden bij het bestuderen van elektrische verschijnselen. In 1891 stelde de Ierse natuurkundige George Stoney voor om een hypothetisch geladen deeltje een elektron te noemen. Na zes jaar ontdekte de Engelsman Joseph Thomson dat het elektron veel lichter is dan het atoom van het lichtste element (waterstof), nadat hij de eerste van de fundamentele deeltjes had ontdekt.
In 1911 stelde Ernest Rutherford, op basis van experimentele gegevens, een planetair model van het atoom voor, volgens hetwelk er een dichte en positief geladen kern in het midden is, waaromheen negatief geladen elektronen draaien. Het subatomaire deeltje met een positieve lading, waaruit kernen zijn samengesteld, werd een proton genoemd.
Al snel wachtte een andere verrassende ontdekking op natuurkundigen: het aantal protonen in een atoom is gelijk aan het aantal van een element in het periodiek systeem. Toen ontstond de hypothese dat er nog andere deeltjes in de samenstelling van atoomkernen zitten. In 1921 stelde de Amerikaanse chemicus William Harkins voor om ze neutronen te noemen, maar het duurde nog eens 10 jaar om neutronenstraling vast te leggen en te beschrijven, waarvan de ontdekking, zoals we weten, van cruciaal belang was voor de ontwikkeling van kernenergie.
Promotie video:
Phantoms of the Antiworld
Aan het begin van de jaren dertig kenden natuurkundigen vier fundamentele deeltjes: foton, elektron, proton en neutron. Het leek erop dat ze voldoende waren om de microkosmos te beschrijven.
De situatie veranderde dramatisch toen Paul Dirac de theoretische mogelijkheid van het bestaan van antielectrons bewees. Als een elektron en een anti-elektron botsen, treedt annihilatie op met het vrijkomen van een hoogenergetisch foton. Aanvankelijk geloofde Dirac dat het proton het anti-elektron is, maar zijn collega's maakten zijn idee belachelijk, omdat dan alle atomen in de wereld onmiddellijk zouden vernietigen. In september 1931 suggereerde de wetenschapper dat er een speciaal deeltje moet zijn (later positron genoemd), dat ontstaat uit een vacuüm wanneer harde gammastralen botsen. Al snel werd duidelijk dat wetenschappers een dergelijk deeltje eerder hadden geregistreerd, maar de manifestaties ervan geen redelijke basis konden geven. De ontdekking van het positron suggereerde dat het proton en neutron dezelfde analogen moeten hebben.
De Russische natuurkundige Vladimir Rozhansky ging zelfs nog verder en publiceerde in 1940 een artikel waarin hij beweerde dat sommige lichamen in het zonnestelsel (bijvoorbeeld meteorieten, kometen en asteroïden) uit antimaterie bestaan. Het geschoolde publiek, allereerst sciencefictionschrijvers, nam het idee over en geloofde in de fysieke realiteit van de anti-wereld die ergens in de buurt bestaat.
Het proces van het kunstmatig verkrijgen van antideeltjes bleek behoorlijk bewerkelijk: hiervoor was het nodig om een speciale Bevatron-versneller te bouwen. Halverwege de jaren vijftig werden er antiprotonen en antineutronen op aangetroffen. Sindsdien is het, ondanks de stijgende arbeidskosten, mogelijk slechts verwaarloosbare hoeveelheden antimaterie te verkrijgen, dus de zoektocht naar zijn natuurlijke "afzettingen" gaat door.
De hoop van de aanhangers van de Rozhansky-hypothese wordt gevoed door de geregistreerde discrepantie (met een factor 100!) Tussen de theoretisch voorspelde en werkelijke intensiteit van antiprotonfluxen in kosmische straling. Deze discrepantie kan onder meer worden verklaard met behulp van de aanname dat er ergens buiten ons Melkwegstelsel (of zelfs de Metagalaxie) echt een enorm gebied is dat bestaat uit antimaterie.
Ongrijpbaar deeltje
In 1900 stelden natuurkundigen vast dat de bètastralen die door radioactief verval worden geproduceerd, in feite elektronen zijn.
In de loop van verdere observaties bleek dat de energie van de uitgezonden elektronen anders bleek te zijn, wat duidelijk de wet van behoud van energie schond. Geen enkele theoretische en praktische truc hielp verklaren wat er gebeurde, en in 1930 riep Niels Bohr, de patriarch van de kwantumfysica, op tot afschaffing van deze wet met betrekking tot de microwereld.
Een uitweg werd gevonden door de Zwitser Wolfgang Pauli: hij suggereerde dat tijdens het verval van atoomkernen een ander subatomair deeltje vrijkomt, dat hij een neutron noemde en dat niet kan worden gedetecteerd door de beschikbare instrumenten. Omdat het in die tijd was dat het eerder voorspelde neutron eindelijk werd ontdekt, werd besloten om het hypothetische Pauli-deeltje een neutrino te noemen (later bleek dat tijdens bèta-verval geen neutrino, maar een antineutrino wordt geboren).
Hoewel het idee van neutrino's aanvankelijk met scepsis werd ontvangen, nam het na verloop van tijd de geest over. Tegelijkertijd deed zich een nieuw probleem voor: het deeltje is zo klein en heeft zo'n onbeduidende massa dat het praktisch onmogelijk is om het te repareren, zelfs als het door de dichtste stoffen gaat. Toch gaven de onderzoekers niet op: toen kernreactoren verschenen, slaagden ze erin om te worden gebruikt als generatoren van een krachtige neutrinoflux, wat leidde tot de ontdekking ervan in 1956.
"Spook" -deeltjes leerden zich registreren en bouwden zelfs een enorm neutrino-observatorium "Ice Cube" op Antarctica, maar ze blijven zelf grotendeels een mysterie. Er is bijvoorbeeld een hypothese dat antineutrino's een interactie aangaan met materie als een gewone neutrino. Als de hypothese experimenteel wordt bevestigd, zal het duidelijk worden waarom er tijdens de vorming van het heelal een globale asymmetrie is ontstaan en dat materie tegenwoordig veel groter is dan antimaterie.
Wetenschappers associëren zich met de verdere studie van neutrino's die antwoorden krijgen over de mogelijkheid van beweging met superluminale snelheid, over de aard van "donkere materie", over de omstandigheden van het vroege heelal. Maar, misschien wel het belangrijkste, de recentelijk bewezen aanwezigheid van massa in neutrino's vernietigt het standaardmodel en tast de fundamenten van de moderne fysica aan.
Buiten het standaardmodel
De studie van kosmische straling en de constructie van krachtige versnellers droegen bij aan de ontdekking van tientallen voorheen onbekende deeltjes, waarvoor een aanvullende classificatie moest worden geïntroduceerd. Tegenwoordig worden bijvoorbeeld alle subatomaire deeltjes die niet in hun samenstellende delen kunnen worden opgesplitst elementair genoemd, en alleen die waarvan wordt aangenomen dat ze geen interne structuur hebben (elektronen, neutrino's, enz.), Worden fundamenteel genoemd.
In het begin van de jaren zestig begon het standaardmodel vorm te krijgen - een theorie die rekening houdt met alle bekende deeltjes en krachtinteracties, behalve de zwaartekracht. De huidige versie beschrijft 61 elementaire deeltjes, waaronder het legendarische Higgs-deeltje. Het succes van het standaardmodel is dat het de eigenschappen van nog niet ontdekte deeltjes voorspelt, waardoor het gemakkelijker wordt om ze te vinden. En toch zijn er redenen om te praten, zo niet over herziening, dan over uitbreiding van het model. Dit is precies wat de aanhangers van New Physics doen, dat wordt opgeroepen om de geaccumuleerde theoretische problemen op te lossen.
Verder gaan dan het standaardmodel zal gepaard gaan met de ontdekking van nieuwe elementaire deeltjes, die nog steeds hypothetisch zijn. Misschien zullen wetenschappers tachyons ontdekken (die met superluminale snelheden bewegen), gravitonen (die gravitatie-interactie dragen) en vimps (die "donkere" materie vormen). Maar het is net zo waarschijnlijk dat ze op iets nog fantastischers zullen stuiten. Maar zelfs dan is er geen garantie dat we de microkosmos als geheel hebben gekend.
Anton Pervushin
