20. stoljeće - Kvantna teorija polja i fizika elementarnih čestica

Sredinom se 20. st. rađa kvantna elektrodinamika (engl. akronim QED, od quantum electrodynamics) – relativistička kvantna teorija polja koja se odnosi na elektrodinamiku, odnosno fizikalna teorija koja relativistički kvantnomehanički opisuje elektromagnetizam. QED matematički opisuje sve pojave koje uključuju interakcije električnih naboja u vidu izmjene fotona. Teorija se ponekad naziva i „draguljem fizike“ zbog mnogih, iznimno točnih, predviđanja. QED utemeljuju Richard Phillips Feynman (1918. – 1988.), Freeman John Dyson (r. 1923.), Julian Seymour Schwinger (1918. – 1994.) i Sin-Itiro Tomonaga (1906. – 1979.).

Richard Feynman pripada legendarnim fizičarima 20. stoljeća. Duhovit, osebujan, iznimno inteligentan, poznat kao jedan od najvećih popularizatora znanosti među vrhunskim znanstvenicima; bio je vrstan predavač, autor udžbenika i knjiga koje se već smatraju „klasicima” poput The Feynman Lectures on Physics i Surely You’re Joking, Mr. Feynman. Sudjelovao je u projektu Mantahan, dao velik doprinos ranom razvoju računarstva i bio vizionar nanotehnologije. Feynman je svoj matematički pristup kvantnoj elektrodinamici temeljio na tzv. Feynmanovim dijagramima (konceptualnim grafičkim prikazima interakcija subatomskih čestica). Taj se koncept u početku činio različitim u odnosu na matematički pristup Schwingera i Tomonage, no Freeman Dyson je kasnije pokazao da su oni u biti ekvivalentni. Feynman, Schwinger i Tomonaga su 1965. godine podijelili Nobelovu nagradu za fiziku za doprinos kvantnoj elektrodinamici.

Kvantna je elektrodinamika poslužila kao model za ostale kvantne teorije polja, kao što su npr. kvantna kromodinamika, koja se počinje razvijati šezdesetih godina 20. st., a današnji oblik dobiva sredinom sedamdesetih u radovima Hugea Davida Politzera (r. 1949.), Sidneya Richarda Colemana (1937. – 2007.), Davida Johnatana Grossa (r. 1941.) i Franka Anthony Wilczeka (r. 1951.). Metode kvantne elektrodinamike (npr. račun smetnje) ipak ne daju rezultate u kvantnoj kromodinamici. Razvijajući teoriju na temeljima pionirskih doprinosa Juliana Seymoura Schwingera (1918. – 1994.), Petera Higgsa (r. 1929.), Jeffreya Goldstonea (r. 1933.) i drugih, Sheldon Lee Glashow (r. 1932. ), Steven Weinberg (r. 1933.) i Abdus Salam (1926. – 1996.) neovisno su pokazali da se slaba nuklearna i elektromagnetna interakcija mogu ujediniti te su za taj izniman doprinos fizici 1979. godine podijelili Nobelovu nagradu.

Teorijski model ujedinjenja  elektromagnetne i slabe nuklearne interakcije poznat pod nazivom elektroslaba teorija ujedinjenja predložio je  Stephen Weinberg još 1967. godine. Model je predviđao postojanje čestica koje posreduju u interakciji među leptonima tzv. W i Z bozona.  Eksperimentalno otkriće ovih bozona  dogodilo se 1983. godine, potvrdilo predviđanja Weinberga,  Salama i Glashowa te su za nj Carlo Rubbia (r. 1934.) i Simon Van der Meer (r. 1925.) nagrađeni Nobelovom nagradom za fiziku 1984. godine.

Nakon šezdesetih godina 20. st. prinosima se brojnih timova fizičara razvija tzv. standardni model teorije elementarnih čestica. Jedan je od fundamentalnih aspekata standardnoga modela pretpostavka postojanja tzv. Higgsova bozona.

Standardni model fizike elementarnih čestica predviđa postojanje dviju vrsta temeljnih građevnih struktura materije, odnosno subatomskih čestica: kvarkova i leptona. Model kvarkova su 1964. godine neovisno postavili Murray Gell-Mann (r. 1929) i George Zweig (r. 1937.), u vremenu kada se je „zoološki vrt“ čestica sastojao od nekoliko leptona i mnoštva hadrona. Oni su pretpostavili da hadroni nisu elementarne čestice, nego da su složene od različitih kombinacija kvarkova i antikvarkova. Postulirali su tri „okusa“ kvarka i nazvali ih „up“, „down“ i „strange“, te im pridružili svojstva spina i električnoga naboja.

Mnogi su znanstvenici ideju prihvatili s rezervom; jedni su kvarkove shvatili kao apstraktni koncept koji će privremeno poslužiti za objašnjenje drugih koncepata, a drugi su bili uvjereni da su kvarkovi fizički entitet. Ubrzo, Sheldon Lee Glashow (r. 1932.) i James Daniel Bjorken (r. 1934.) predlažu proširenje Gell-Mann – Zweigova modela kvarkom četvrtoga „okusa“ nazvanoga „charm“. Time dodatno podupiru teoriju, omogućuju bolji opis slabe interakcije (mehanizma kojim se kvarkovi raspadaju), izjednačuju broj kvarkova s brojem poznatih leptona i impliciraju relaciju za masu tako da se korektno reproduciraju mase poznatih mezona (hadroni cjelobrojnoga spina).

Godine 1968. izvedeno je na Stanfordu neelastično sudarno raspršenje koje je pokazalo da proton nije elementarna čestica, već je složen od manjih točkastih objekata. Iako je time dokazana podstruktura hadrona, koju je predviđao model kvarkova, nije još bilo jasno jesu li građevni dijelovi hadrona kvarkovi, pa su nađeni objekti, prema Feynmanovu prijedlogu, nazvani partonima. Kasnije se ustanovilo da partoni odgovaraju kvarkovima „up“ i „down“. Teorija je poduprta i kasnijim otkrićem kvarka „strange“.

Još 1970. godine Sheldon Glashow, John Iliopoulos (r. 1940.) i Luciano Maiani (r. 1941.) iznose uvjerljivije teorijske argumente za do tada još neotkriveni kvark „charm“. Prijedlogom je Makota Kobayashija (r. 1944.) i Toshihide Maskawe (r. 1940.) broj okusa kvarkova 1973. godine povećan na šest; dva su nova kvarka nazvani „truth“ i „beauty“, ali su se za njih više uvriježili nazivi „top“ i „bottom“.

Godine 1974. je otkriće kvarka „charm“ doprinijelo je uvjerenju u ispravnost modela kvarkova. Dva su ga tima američkih fizičara otkrili simultano i neovisno u studenome 1974. godine (tzv. „novembarska revolucija”): Burton Richter (r. 1931.) i njegovi suradnici u akceleratorskom centru Stanford te Samuel Chao Chung Ting (r. 1936.) sa suradnicima u nacionalnom laboratoriju Brookhaven.

Tri godine kasnije, 1977., Leon Max Lederman (r. 1922.) i njegov tim u Fermilabuopažaju česticu „upsilon”, koja potvrđuje pretpostavku postojanja kvarka „bottom” Kobayashija i Maskawe, a 1995. godine je, također u Fermilabu, otkriven i kvark „top”. To je otkriće bilo vrlo važno jer se ovaj kvark pokazao puno masivnijim od očekivanoga. Razlozi njegove velike mase još nisu otkriveni.