Παρόλο που οι αναζητήσεις γύρω από τη δομή της ύλης ανάγονται στον Δημόκριτο και τον Λεύκιππο (η υπόθεση των "άτμητων" συστατικών της ύλης, ή άλλως ατόμων) καθώς και στον Θαλή (οι μακροσκοπικές εκφάνσεις του ηλεκτρομαγνητισμού), η συστηματική και πειραματική μελέτη της ύλης ξεκίνησε πολύ αργότερα από τους Κουλόμπ (Coulomb) και Λαβουαζιέ (Lavoisier) κατά το 18ο αιώνα. Η πρώτη προσπάθεια κατάταξης των έως τότε γνώσεων γίνεται τον 19ο αιώνα από τον Μεντελέγιεφ (Mendeleev), ο οποίος προβλέπει την ύπαρξη χημικών στοιχείων - αγνώστων την εποχή εκείνη - που συμπληρώνουν τον περίφημο Πίνακά του (όπως για παράδειγμα τα στοιχεία
γερμάνιο και γάλλιο). Ομως, η αιτία που κρύβεται "πίσω" από τον πίνακα παραμένει άγνωστη.	Κουλόμπ

 

	Το 1864 ο Μάξουελ (Maxwell) προβλέπει τα ηλεκρομαγνητικά κύματα, στα οποία συμπεριλαμβάνεται και το φως. Το 1882 ο Χ. Χερτζ (Η.Hertz) αποδεικνύει πειραματικά την ύπαρξη αυτών των κυμάτων. Πολύ γρήγορα ξεκινά η χρήση τους ως εργαλεία εξερεύνησης της ύλης. Ταυτόχρονα, ο Ρέντγκεν (Roentgen) ανακαλύπτει τις ακτίνες Χ (οι οποίες είναι  ηλεκτρομαγνητικά κύματα με πολύ μικρό μήκος  κύματος) και ο Τόμσον  (Thompson) τις χρησιμοποιεί για να "ιονίσει" αέρια και να ανακαλύψει το 1897 ένα βασικό δομικό λίθο της ύλης, το ηλεκτρόνιο.
Μάξουελ		Τόμσον

 

	Το 1898 ο Μπεκερέλ (Becquerel) ανακαλύπτει μια παράξενη "δραστηριότητα" ορισμένων χημικών ενώσεων του στοιχείου ουρανίου, τη ραδιενέργεια. Το ζεύγος Κιουρί (Curie) συνειδητοποιεί ότι η ραδιενέργεια έχει την ικανότητα αλλαγής των ιδιοτήτων των χημικών στοιχείων (μεταστοιχείωση). Το 1905 ο Αϊνστάιν (Einstein), για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, εισάγει το φωτόνιο ως μια μικροσκοπική ποσότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος.
Κιουρί	Το 1911 ο Χοφ (Hoff) ανακαλύπτει τις κοσμικές ακτίνες. Αργότερα, στην δεκαετία του '30, γίνεται κατανοητό ότι οι ακτίνες αυτές είναι σωματίδια.	Αϊνστάιν
Η προέλευση των κοσμικών ακτίνων παραμένει ακόμα και σήμερα ένα από τα ανοικτά προβλήματα της Φυσικής.

 

Τον ίδιο χρόνο, το 1911, ο Ράδερφορντ (Rutherford) "βομβαρδίζει" ένα φύλλο χρυσού με σωματίδια α (άλφα) - τα οποία προέρχονταν από τη διάσπαση ουρανίου. Μερικά από αυτά τα σωματίδια φαίνονται να "ανακλώνται" από το φύλλο και συμπεραίνει την ύπαρξη του πυρήνα του ατόμου με θετικό ηλεκτρικό φορτίο, αντίθετο του φορτίου του ηλεκτρονίου. Τέλος, η έρευνα για τη δομή του ατόμου του υδρογόνου οδηγεί στην ανακάλυψη του πρωτονίου.

Ράδερφορντ

 

Το 1913 ο Μπορ (Bohr) προτείνει το ατομικό του πρότυπο και τον επόμενο χρόνο ο Μόσλεϊ (Mosley), χρησιμοποιώντας αυτήν την πρόταση, εξηγεί την βασική ιδέα που συγκροτεί τον πίνακα του Μεντελέγιεφ και δείχνει τη σπουδαιότητα της έννοιας του ατομικού αριθμού κάθε χημικού στοιχείου. Το 1915 ο Μπραγκ (Bragg) εξηγεί τα πειράματα σκέδασης ακτίνων Χ του φον Λάου (von Laue) εισάγοντας την έννοια της κρυσταλλικής δομής των στερεών.

Μπορ

 

Το 1923 τα πειράματά του Κόμπτον (Compton) τερματίζουν την συζήτηση για τη σωματιδιακή φύση του φωτονίου και ο ντε Βρέϊγ (de Broglie) εισάγει την ιδέα ότι και η ύλη μπορεί να επιδείξει κυματική συμπεριφορά. Στα χρόνια μεταξύ 1926 και 1928, ο Ντάρουιν (Darwin) στην Αγγλία και οι Ντάβισον (Davisson) και Γκέρμερ (Germer) στις ΗΠΑ επιβεβαιώνουν την παραπάνω υπόθεση "βομβαρδίζοντας" με ηλεκτρόνια ένα κρύσταλλο και παρατηρώντας κυματικά φαινόμενα. Το 1925 (έτος γέννησης της κβαντικής μηχανικής) οι Φρανκ (Franck) και Γκ. Χερτζ (G.Hertz) αποδεικνύουν την ύπαρξη διακεκριμένων ενεργειακών επιπέδων στο άτομο του υδρογόνου και οι

ντε Μπρέιγ

Γκούντσμιτ (Goudsmit) και Ούλενμπεκ (Uhlenbeck) εισάγουν την έννοια της "ιδιοστροφορμής" (σπιν).

 
 

	Το 1927 ο Χάιζενμπεργκ (Heisenberg) και ο Πάολι (Pauli) ξεκινούν τις έρευνές τους πάνω στις κβαντικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητισμού. Το 1931 τα πειραματικά δεδομένα οδηγούν τον Πάολι στην εισαγωγή ενός νέου σωματιδίου. Η παρουσία του θα επέτρεπε την διατήρηση της ενέργειας, της ορμής και της στροφορμής κατά τη διάσπαση β (πράγμα που ήδη είχε ελέγξει ο Κόμπτον). Ο Φέρμι (Fermi) ονόμασε το νέο σωματίδιο νετρίνο, γιατί ήταν ελαφρύ και ηλεκτρικά ουδέτερο και για να το διακρίνει από το νετρόνιο, το οποίο ανακάλυψε ο Σάντουϊκ (Chadwick) ως συστατικό του πυρήνα το 1932.
Πάολι	Για την κατανόηση της συγκρότησης του πυρήνα ο Χάιζενμπεργκ εισάγει την	Χάιζενμπεργκ
έννοια της ισχυρής αλληλεπίδρασης, η οποία δεν διακρίνει το πρωτόνιο από το νετρόνιο και μ' αυτό το τρόπο προτείνει την συμμετρία του ισοτοπικού σπιν. Εισάγει επίσης την έννοια του φορέα-διαδότη μιας αλληλεπίδρασης:  για παράδειγμα η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση δρά με την ανταλλαγή φωτονίων.

 

	Την ίδια χρονιά ο Αντερσον (Anderson) ανακαλύπτει σε κοσμικές ακτίνες ένα νέο σωματίδιο, όμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Είναι το ποζιτρόνιο του οποίου την ύπαρξη είχε προβλέψει ο Ντίρακ (Dirac) ήδη από το 1928. Το 1934 ο Φέρμι προτείνει ότι η ραδιενέργεια οφείλεται σε μια νέα αλληλεπίδραση μεταξύ των συστατικών της ύλης, η οποία ονομάζεται ασθενής αλληλεπίδραση. Θα χρειαστούν 40 χρόνια για την πλήρη κατανόησή της (βλέπε παρακάτω). Την ίδια χρονιά ο Γιουκάβα (Yukawa) προτείνει ότι οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις οφείλονται στην ανταλλαγή ενός σωματιδίου που το ονόμασε μεσόνιο.
Ντίρακ	Το 1937 ο Νεντερμάγιερ (Nedermayer) και οι συνεργάτες του ανακαλύπτουν στις κοσμικές ακτίνες ένα καινούργιο σωματίδιο, όμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά με μάζα 200 φορές πιο μεγάλη,
το μιόνιο. Πολύ γρήγορα γίνεται κατανοητό ότι αυτό το σωματίδιο δεν είναι υπεύθυνο για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις!

 
 

Το 1947 ο Πάουελ (Powell) και οι συνεργάτες του ανακαλύπτουν τρία νέα σωματίδια, τα πιόνια τα οποία αναγνωρίζονται ως τα σωματίδια που είχε προβλέψει ο Γιουκάβα. Την ίδια χρονιά ο Λαμπ (Lamb)  και ο Ρέδερφορντ (Retherford) ανακαλύπτουν μια ιδιαιτερότητα στο φάσμα του υδρογόνου που ήταν αδύνατο να εξηγηθεί με την ισχύουσα θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Ο Μπέτε (Bethe)  δίνει μια πρώτη εξήγηση ενώ οι Φάινμαν (Feynman), Σβίνγκερ
(Schwinger) και Τομονάγκα (Tomonaga) βρίσκουν την	Φάινμαν	Σβίνγκερ
συνολική λύση του "μυστηρίου". Ο Ντάισον (Dyson) αποδεικνύει ότι οι διαφορετικές προσεγγίσεις των τριων επιστημόνων είναι ισοδύναμες. με αυτό το τρόπο η κβαντική μηχανική μπαίνει στο στάδιο της κβαντικής θεωρίας πεδίου.

 

Στη δεκαετία του '50, τα πειράματα με κοσμικές ακτίνες δίνουν τη θέση τους σ' αυτά με επιταχυντές και ανιχνευτές. Το αντιπρωτόνιο ανακαλύπτεται στο Μπέρκλεϋ από τον Τσάμπερλεν (Chamberlain) και τους συνεργάτες του. Το 1954 οι Γιανγκ (Yang) και Μιλς (Mills) διατυπώνουν μια κβαντική θεωρία πεδίου για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.
 
  

Στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις εμφανίζονται διάφορα παράδοξα. Οι Γκελ-Μαν (Gell-Mann) και Πάις (Pais) προτείνουν το 1955 ότι όλα τα σωματίδια φέρουν ένα καινούργιο χαρακτηριστικό, την παραδοξότητα, η οποία διατηρείται στις ισχυρές αλλά όχι στις ασθενείς αλληλλεπιδράσεις.
	Γκελ-Μαν

Αλλά και πάλι, τα παράδοξα των ασθενών αλληλεπιδράσεων παραμένουν. Το 1956 οι Λι (Lee) και Γιανγκ προτείνουν ότι η κατοπτρική συμμετρία παραβιάζεται από αυτές τις αλληλεπιδράσεις: οι νόμοι της φύσης για τους εαυτούς μας και για τα είδωλά μας σ' ένα καθρέφτη δεν είναι οι ίδιοι! Την ίδια χρονιά οι Ρέϊνς (Reins) και Κόουαν (Cowan) ανακαλύπτουν το νετρίνο χρησιμοποιώντας έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.

Το 1957 η Βου (Wu) και οι συνεργάτες της πραγματοποιούν το πείραμα που επιβεβαιώνει τα λεγόμενα των Λι και Γιανγκ: Τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την διάσπαση β είναι "πολωμένα" κατά μια διεύθυνση μόνο.
 

Το 1958 οι Φάινμαν και Γκελ-Μαν προτείνουν την πρώτη, μετά τον Φέρμι, θεωρητική προσέγγιση των ασθενών αλληλεπιδράσεων, ενώ το 1959 ο Καμπίμπο (Cabbibo) παρουσιάζει μια νέα συμμετρία η οποία σημπληρώνει την θεώρηση των Φάινμαν και Γκελ-Μαν. Το 1961 ο Γκλάσοου (Glashow) προτείνει την πρώτη θεωρία πεδίου η οποία παρουσιάζει όμως ασυνέπειες.
	Γκλάσοου

 

	Το 1962 οι Λέντερμαν (Lederman), Σβαρτς (Schwartz) και Σταϊνμπέργκερ (Steinberger) αποδεικνύουν με τα πειράματα τους ότι το νετρίνο που εμφανίζεται στη διάσπαση του μιονίου δεν είναι το ίδιο με το νετρίνο που εμφανίζεται στη διασπαση β. Το καινούργιο νετρίνο είναι "τύπου-μ" (μιονικό) ενώ το αρχικό είναι "τύπου-e" (ηλεκτρονικό).
Λέντερμαν		Σταϊνμπέργκερ

Το 1963 ο Γκελ-Μαν προτείνει μια κατάταξη των σωματιδίων που συμμετέχουν στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις και προβλέπει την ύπαρξη του σωματιδίου Ω, το οποίο ανακαλύπτεται το 1965. Την επόμενη χρονιά ο Γκελ-Μαν και, ανεξάρτητα, ο Τσβάιγκ (Zweig) προτείνουν ότι όλα τα σωματίδια που συμμετέχουν στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις αποτελούνται από τρία βασικά σωματίδια, τα οποία ο Γκελ-Μαν ονόμασε κουάρκ: το "πάνω" (up-u) κουάρκ, το "κάτω" (down-d) κουάρκ και το "παράξενο" (strange-s) κουάρκ. Τα κουάρκ έχουν κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο (ως προς αυτό του ηλεκτρονίου) αλλά επιπλέον έχουν και μια νέα ιδιότητα που ο Γκελ-Μαν ονόμασε "χρώμα" (επομένως, σε κάθε είδος κουάρκ αντιστοιχεί μια τριάδα:  "πάνω-κόκκινο",  "πάνω-πράσινο",  "πάνω-μπλε" κλπ). Τέλος θεώρησε ότι τα κουάρκ παρουσιάζονται πάντοτε σε κατάλληλους συνδυασμούς ώστε να μη μπορούμε να παρατηρήσουμε το "χρώμα" τους.

Το 1964 οι Μπράουτ (Brout), Ενγκλέρ (Englert), Γκούραλνικ (Guralnik) και Χιγκς (Higgs), ανεξάρτητα, προτείνουν την ύπαρξη ενός νέου, ηλεκτρικά ουδέτερου, σωματιδίου το οποίο ευθύνεται για τις μάζες των άλλων σωματιδίων. Το σωματίδιο higgs, είναι το κύριο αντικείμενο έρευνας στον καινούργιο Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουομένων Δεσμών Αδρονίων (Large Hadron Collider) που κατασκευάζεται στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN, κοντά στη Γενεύη.
 
 

Το 1967 ο Ουάινμπεργκ (Weinberg) και, ανεξάρτητα, ο Σαλάμ (Salam) παρουσιάζουν μια θεωρία των ασθενών αλληλεπιδράσεων της μορφής που είχαν προτείνει οι Γιανγκ και Μιλς, με το επιπλέον στοιχείο ότι ενοποιεί τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Η θεωρία προβλέπει την παρουσία σωματιδίων με μεγάλη μάζα ως φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων, κατ' αντιστοιχία με το φωτόνιο, φορέα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Οι μάζες των σωματιδίων αυτών είναι πολύ μεγάλες για να παρατηρηθούν στα πειράματα της εποχής. Τέλος, οι θεωρητικοί υπολογισμοί στη νέα αυτή θεωρία παρουσιάζουν ορισμένες δυσκολίες.

Ουάινμπέργκ

Την ίδια χρονιά, πειραματικές ομάδες από τα συνεργαζόμενα πανεπιστήμια του ΜΙΤ (Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασσαχουσέτης) και του Στάνφορντ (Stanford), χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή του Κέντρου Γραμμικού Επιταχυντή του Στάνφορντ (SLAC) βομβαρδίζουν με ηλεκτρόνια μεγάλης ενέργειας μεγάλους στόχους (δηλαδή πείραμα ανάλογο με αυτό του Ράδερφορντ!). Τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους μπορούν να ερμηνευθούν μόνο με τη βοήθεια της θεωρίας των κουάρκ του Γκελ-Μαν.

Το 1970 οι Γκλάσοου (Glashow), Ηλιόπουλος και Μαϊάνι (Maiani) συνειδητοποιούν ότι η εισαγωγή ενός τέταρτου κουάρκ μπορεί να απαλλάξει τις θεωρίες των ασθενών αλληλεπιδράσεων από τα "παράδοξά" της. Του δίνουν το όνομα: χαριτωμένο (charm-c) κουάρκ. Το 1972, οι Μπουσιά (Bouchiat), Ηλιόπουλος και Μεγιέρ (Meyer) αποδεικνύουν ότι το νέο κουάρκ απαλάσσει και από τα τελευταία "παράδοξά" της τη θεωρία του Ουάινμπεργκ.
 

Το 1971 ο τ' Χουφτ ('t Hooft) παρουσιάζει στην διδακτορική του διατριβή ένα συνεπή τρόπο υπολογισμού φυσικών μεγεθών στις θεωρίες του τύπου Γιανγκ και Μιλς.
	τ' Χουφτ

Το 1973 η πειραματική ομάδα Γκαργκαμέλ (Gargamelle) στο CERN, με επικεφαλείς τους Λαγκαρίγκ (Lagarrigue) και Μυσέ (Musset) ανακαλύπτουν μια νέα αλληλεπίδραση των νετρίνων με την ύλη, την οποία προβλέπει η θεωρία των Ουάινμπεργκ και Σαλάμ.

Την ίδια χρονιά οι Γκελ-Μαν και Φριτζ (Fritzsch) παρουσιάζουν μια κβαντική θεωρία πεδίου για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις: την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι Γκρος  (Gross), Ουίλτζεκ (Wilczek) και Πόλιτζερ (Politzer) αποδεικνύουν, ανεξάρτητα, ότι η κβαντική χρωμοδυναμική έχει μια ιδιότητα ("ασυμπτωτική ελευθερία) που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε με από τρόπο τις αντίστοιχες αλληλεπιδράσεις σε μεγάλες ενέργειες.
 
  

Το 1974 μια πειραματική ομάδα με επικεφαλής τον Τινγκ (Ting) στο Brookhaven και μια δεύτερη στο SLAC καθοδηγούμενη από τον Ρίχτερ (Richter), ανεξάρτητα η μια από την άλλη, ανακαλύπτουν ένα καινούργιο σωματίδιο που αποτελείται από ένα χαριτωμένο κουάρκ και το αντισωματίδιό του, επιβεβαιώνοντας την πρόταση των Γκλάσοου, Ηλιόπουλου και Μαϊάνι.
	Ρίχτερ

Το 1975 ο Περλ (Perl) και οι συνεργάτες του στο SLAC ανακαλύπτουν ένα νέο σωματίδιο, όμοιο με το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο αλλά με ακόμα μεγαλύτερη μάζα: το σωματίδιο τ (ταυ).

Το 1977 ο Λέντερμαν (Lederman) ανακαλύπτει ένα νέο κουάρκ, το χαμηλό (bottom-b) κουάρκ και έτσι προβλέπεται και η ύπαρξη και έκτου κουάρκ, του υψηλού (top-t) κουάρκ που θα ανακαλυφθεί το 1995 στο Εργαστήριο Fermilab.

Το 1979 η Χάνσον (Hanson) και οι συνεργάτες της ανακαλύπτουν στα πειράματά τους, στον επιταχυντή PETRA του Αμβούργου, πίδακες από γκλουόνια, τα σωματίδια που είναι οι φορείς των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, όπως προέβλεπε η κβαντική χρωμοδυναμική.
 
 

Το 1983 δυο πειραματικές ομάδες με επικεφαλείς τους Ρούμπια (Rubbia) και Νταριουλά (Darriulat) ανακαλύπτουν στο CERN τα σωματίδια W+, W-  και Z, που προέβλεπε η θεωρία των Ουάινμπεργ και Σαλάμ, ως φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης.
	Ρούμπια

Από το 1989 επιστήμονες που εργάζονται στον επιταχυντή LEP του CERN μελετούν με λεπτομέρεια τις ιδιότητες των W^+, W^-  και Z και τα αποτελέσματα τους συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα: η ύλη αποτελείται από λεπτόνια και κουάρκ. Τα λεπτόνια συμμετέχουν στις ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις ενώ τα κουάρκ συμμετέχουν και στις ισχυρές.
 
 

Για κάθε αλληλεπίδραση υπάρχουν οι αντίστοιχοι φορείς: το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική, τα W^+, W^-  και Z για την ασθενή και τα 8 γκλουόνια για την ισχυρή. Αυτό το θεωρητικό πλαίσιο δεν μπορεί να θεωρηθεί πλήρες, εφόσον το σωματίδιο higgs δεν έχει ακόμα εντοπισθεί.

We would like to thank the American Institute of Physics (http://www.aip.org/history/esva/) for the permission to use the photos of the physicist appearing in the above article. For more information on each photo, click on the photo itself.