Demócrito creía que los elementos originales o básicos de todas las cosas eran los “átomos” y el “vacío”. "Átomo" significa "indivisible" en griego. Demócrito utilizó este concepto para referirse a las partículas materiales más básicas que componen cosas específicas. La característica fundamental de los átomos es que son “llenos y sólidos”, es decir, no existen huecos en el interior de los átomos. Son sólidos e impenetrables, por lo que son indivisibles. Demócrito creía que los átomos son eternos, inmortales e inmortales; el número de átomos es infinito; los átomos están en un estado de movimiento constante, y su única forma de movimiento es la "vibración"; los átomos son tan pequeños que son invisibles para los desnudos; ojo. Es decir, no puede ser percibido por los sentidos y sólo puede entenderse a través de la razón. En 1897, Thomson descubrió los electrones en su experimento. En 1911, Rutherford realizó un experimento de dispersión elástica de gran ángulo de partículas alfa, confirmando la existencia de núcleos cargados positivamente. Esto demostró experimentalmente la existencia de los átomos y la teoría de que los átomos están compuestos de electrones y núcleos.
En 1932, Chadwick descubrió el neutrón en un experimento utilizando partículas alfa para bombardear núcleos atómicos. Luego se comprendió que los núcleos atómicos estaban compuestos de protones y neutrones, lo que condujo a una imagen unificada del mundo en la que toda la materia estaba compuesta de unidades estructurales básicas: protones, neutrones y electrones. En este momento, el concepto moderno de partículas elementales comenzó a tomar forma. En 1905, Einstein propuso que la unidad estructural básica del campo electromagnético es el fotón, lo que fue confirmado en el experimento de Compton y otros en 1922. Por tanto, el fotón se considera una "partícula elemental". En 1931, Pauli postuló teóricamente la existencia de una partícula sin masa estática: el neutrino (en sentido estricto, la existencia de neutrinos fue confirmada experimentalmente por Reines y Cohen en 1956).
La mecánica cuántica relativista predice que los electrones, protones, neutrones y neutrinos tienen antipartículas con la misma masa que ellos. La primera antipartícula, el positrón, fue descubierta en 1932 por Anderson mientras registraba partículas de rayos cósmicos en una cámara de niebla colocada en un fuerte campo magnético. Desde mediados de la década de 1950 se han descubierto antipartículas de otras partículas. Con el desarrollo de la física nuclear, la gente descubrió que, además de la conocida interacción gravitacional y la interacción electromagnética, existen dos nuevas interacciones: la interacción fuerte y la interacción débil.
En 1934, para explicar la interacción fuerte de fuerza de corto alcance entre nucleones, Hideki Yukawa propuso que la fuerza estaba causada por el intercambio de una masa de mesón, una partícula elemental entre protones y/o neutrones. En 1936, Anderson y Niedermeyer confirmaron experimentalmente una nueva partícula con una masa 207 veces mayor que la del electrón, que más tarde se llamó muón. Los muones son partículas inestables que se desintegran en electrones, un neutrino y un antineutrino, con una vida media de dos millonésimas de segundo. Yukawa propuso originalmente que la carga eléctrica de los mesones era positiva y negativa. En 1938, Kemer desarrolló el concepto anterior de isospin y estableció la teoría de simetría de la fuerza nuclear basada en el hecho de que las cargas de fuerza nuclear son independientes.
En 1947, Convercy y otros utilizaron contraestadísticas para descubrir que los muones no tenían un efecto fuerte. En 1947, Powell y otros utilizaron látex nuclear para descubrir mesones con fuertes interacciones en los rayos cósmicos y luego confirmaron la existencia de dichos mesones en los aceleradores. Desde entonces, los seres humanos han reconocido cada vez más partículas elementales. En 1947, Rochester y Butler descubrieron la partícula V (mesón K) en un experimento de rayos cósmicos, lo que fue el comienzo de una serie de nuevos descubrimientos de partículas más tarde llamadas partículas exóticas. Debido a sus propiedades únicas, se introdujo en la física de partículas un nuevo concepto de números cuánticos: los números singulares. Entre estas partículas extrañas, hay mesones extraños con masas más ligeras que los protones y varios hiperones con masas más pesadas que los protones.
En condiciones normales en la Tierra, no existen. En aquella época, sólo podían producirse con la ayuda de rayos cósmicos de alta energía que llegaban desde el espacio.
Estas partículas elementales descubiertas, más los gravitones cuánticos del campo gravitacional, cuya existencia se predice teóricamente pero no han sido confirmadas experimentalmente, se pueden dividir en cuatro categorías según la naturaleza de sus interacciones: gravitones, fotones. , y partículas ligeras. Hijo, hadrón. Para superar la limitación de las débiles corrientes de rayos cósmicos, a principios de los años cincuenta se empezaron a construir aceleradores de partículas con energías cada vez mayores y corrientes más fuertes. En los experimentos han surgido uno tras otro nuevos y potentes métodos de detección, como grandes cámaras de burbujas, cámaras de chispas, cámaras proporcionales de varios cables, etc. , comenzó el período de gran descubrimiento de nuevas partículas. En los primeros años de la década de 1960, el número de partículas elementales observadas en los experimentos había aumentado hasta superar el número de elementos químicos descubiertos en la época de la aparición de la tabla periódica, y los descubrimientos estaban ganando impulso. En 1961, Gell-Mann y Neyman propusieron, por analogía con la tabla periódica de elementos químicos, que los hadrones se clasificaran según la simetría de la interacción fuerte.
La clasificación óctuple no solo proporcionó la ubicación de los hadrones descubiertos en ese momento, sino que también predijo con precisión algunas partículas nuevas, como la partícula ω descubierta en el experimento de la cámara de burbujas en 1964. El método del octuplet explica bien la regularidad de propiedades estáticas como el espín, la paridad, la carga, la singularidad y la masa de las partículas.
En esta etapa se demostró que no sólo los electrones, sino todas las partículas tienen sus antipartículas (las antipartículas de algunas partículas son ellas mismas). El primer antison cargado fue descubierto por Wang de China en 1959. Además, también se descubrió que un gran número de partículas de vida extremadamente corta se desintegraban mediante fuertes efectos: * * * estado vibratorio. El descubrimiento de un gran número de partículas elementales ha puesto en duda la alcalinidad de estas partículas elementales. El concepto de partículas elementales se enfrenta a un cambio repentino.
Desde los años 40 hasta los 60, el mayor avance en la comprensión de la racionalidad del mundo microscópico fue el establecimiento de la mecánica cuántica. Con los esfuerzos de una generación de físicos, la mecánica cuántica puede explicar bien la estructura de los átomos, la regularidad de los espectros atómicos, las propiedades de los elementos químicos, la absorción y radiación de la luz, etc. Especialmente cuando se combina con la relatividad especial para establecer la mecánica cuántica relativista, se convierte en la teoría básica del mundo microscópico a nivel atómico y molecular.
Sin embargo, la mecánica cuántica todavía tiene varias deficiencias: no puede reflejar la naturaleza partícula del campo; no puede describir el proceso de creación y aniquilación de partículas; tiene una solución energética negativa, lo que dificulta los conceptos físicos; La teoría cuántica de campos fue desarrollada por Dirac, Jordan, Wigner, Heisenberg y Pauli sobre la base de la mecánica cuántica relativista. Resuelve bien estos tres problemas.
El momento magnético anómalo de los electrones descubierto por Kush y Foley en 1947, y la división del nivel de energía de los átomos de hidrógeno descubierta por Lamb et al. sólo pueden explicarse correctamente utilizando la teoría de la renormalización de la electrodinámica cuántica. Hoy en día, la electrodinámica cuántica ha sido verificada mediante muchos experimentos y se ha convertido en la teoría básica de la interacción electromagnética.
Fermi y Chen-Ning Yang propusieron por primera vez la idea de que no todas las partículas elementales son "elementales" en 1949. Creen que el mesón no es un nucleón básico, sino un nucleón básico. El mesón es simplemente una combinación de nucleones y antinucleones. En 1955, Shoichi Sakata amplió el modelo de Fermi y el modelo de Yang Chenning y propuso que los hadrones están compuestos de nucleones, hiperones y sus antipartículas. En 1961, se descubrieron muchas ** vibraciones en experimentos. En 1964, los tipos de partículas elementales (incluidos los estados vibratorios) habían aumentado a varios cientos, lo que llevó a Gell-Mann y Zwick a proponer que la base de la simetría es la unidad estructural que constituye todos los hadrones, y que existen tres tipos de ellos. , llamados quarks.
Desde la década de 1960, los quarks se han buscado experimentalmente en rayos cósmicos, aceleradores y rocas, pero hasta ahora no ha habido informes de éxito confirmados. En las décadas de 1960 y 1970 se construyeron más aceleradores con mayor energía y mejor rendimiento. Aunque no se encontraron quarks en estos aceleradores. Sin embargo, se obtuvieron pruebas indirectas pero más sólidas de la existencia de quarks.
A diferencia del espectacular aumento del número de hadrones desde la confirmación experimental de dos tipos de neutrinos en una gran cámara de chispas en 1962, durante mucho tiempo sólo se conocieron cuatro leptones, pero en 1975 las cosas cambiaron. .
Este año, Pell y otros descubrieron un nuevo leptón en el experimento de colisión electrón-positrón. Tiene una carga positiva o negativa y es el doble que la de un protón, por lo que se le llama leptón pesado. En consecuencia, se cree generalmente que debería haber otro neutrino, pero esto no ha sido confirmado experimentalmente.
Poco después de que se propuso la teoría de los quarks, algunas personas se dieron cuenta de que el estudio de las interacciones fuertes y débiles de los hadrones debía basarse en los quarks y, al mismo tiempo, las características estructurales y cinemáticas de los hadrones debían basarse en ellos. Solo se pueden considerar completamente explicando correctamente las propiedades dinámicas como la vida útil, el ancho, el factor de forma y la sección transversal de los hadrones. En 1965, el modelo estratotrón de estructura hadrónica desarrollado en mi país fue uno de los primeros estudios en esta dirección. Las capas reciben nombres para enfatizar las infinitas capas de la estructura material. Más profundos que los hadrones son los quarks. En los últimos 20 años, la corriente principal de los experimentos y el desarrollo teórico de la física de partículas ha ido en esta dirección, con avances en las interacciones débiles y avances significativos en las interacciones fuertes.
La primera teoría de la interacción débil fue propuesta por Fermi en 1934 para explicar la desintegración de los neutrones. El descubrimiento de la no conservación de la paridad en interacciones débiles ha dado un gran impulso a la investigación sobre la teoría de las interacciones débiles. Poco después, se estableció la forma de flujo que describe las interacciones débiles bajo la transformación de Lorentz, que era aplicable a todos los procesos de interacción débil y se denominó teoría universal de la interacción débil de tipo Fermi. Glashow propuso una teoría unificada de las interacciones electromagnéticas y débiles en 1961. La base de esta teoría es la teoría de campos de calibre no abeliana propuesta por Chenning Yang y Mills en 1954. Pero en esta teoría no se ha respondido si estas partículas tienen masa estática y cómo renormalizarlas teóricamente.
De 1967 a 1968, Weinberg y Salam desarrollaron que las partículas como campos de calibre pueden tener masas estáticas, y también calcularon la relación entre estas masas estáticas y las constantes de acoplamiento débil y las constantes de acoplamiento electromagnético. Un punto muy importante de esta teoría es que predice la existencia de un flujo neutro débil, pero el fenómeno del flujo neutro débil no se observó en experimentos en ese momento. Debido a que no había apoyo experimental, este modelo no atrajo la atención de la gente en ese momento.
En 1973, Fermilab y CERN en los Estados Unidos descubrieron sucesivamente un flujo neutral débil, y luego la gente comenzó a prestar atención a este modelo. En 1983, el grupo experimental de Rubia y otros descubrieron que las características de las colisiones protón-antiprotón de alta energía eran completamente consistentes con las expectativas teóricas de las partículas calibre. Esto dio un gran apoyo a la teoría unificada electrodébil, haciendo posible que se convirtiera en una interacción débil básica. teoría.