Teoria fizyki kwantowej

Teoria fizyki kwantowej pojawiła się w latach dwudziestych naszego wieku.

Oto główne założenia tej teorii:
1. Wszystkie siły powstają dzięki wymianie dyskretnych porcji energii, zwanych kwantami.
W teorii kwantowej światło zostało podzielone na małe porcje zwane fotonami. Fotony zachowują się podobnie do punktowych cząstek. Gdy dwa elektrony wpadają na siebie, odpychają się nie z powodu zakrzywienia przestrzeni, lecz dlatego, że wymieniają porcje energii – fotony.

2. Różne siły są powodowane przez wymianę różnych kwantów
W słabych oddziaływaniach biorą na przykład udział kwanty zwane cząstkami W. Podobnie za oddziaływanie silne, utrzymujące protony i neutrony wewnątrz jądra atomowego, jest odpowiedzialna wymiana cząstek elementarnych zwanych mezonami p.
Zarówno bozony W i mezony p wykryto doświadczalnie za pomocą akceleratorów.

3. Nigdy nie możemy określić jednocześnie prędkości i położenia cząstki elementarnej.
Zasada nieoznaczności stwierdza, że nigdy nie możemy być pewni, gdzie jest elektron lub jaka jest jego prędkość. Najlepsze, co możemy zrobić to obliczyć prawdopodobieństwo, że elektron pojawi się w określonym miejscu z określoną prędkością.

4. Istnieje skończone prawdopodobieństwo, że cząstka „przetuneluje”, czyli dokona skoku kwantowego, przez nieprzepuszczalne bariery.
Jeden z najprostszych eksperymentów demonstrujących zjawisko tunelowanie kwantowego rozpoczyna się od umieszczenia elektronów w pudle. Normalnie elektron nie ma wystarczającej energii, by przejść przez ścianki pudła. Jeśli klasyczna fizyka jest poprawna, elektron nigdy go nie opuści. Według teorii kwantowej istnieje jednak prawdopodobieństwo, że fala elektronu rozprzestrzeni się i przejdzie przez ścianki pudełka do świata zewnętrznego.Tunelowanie kwantowe jest wykorzystywane w diodzie tunelowej wykorzystywanych w większości dzisiejszych urządzeń elektronicznych.

Cząstki występujące we wszechświecie wtórnym promieniowaniu kosmicznym: piony, miony, neutrina, elektrony i pozytony oraz składniki jądra: protony i neutrony – noszą wspólną nazwę cząstek elementarnych. W ostatnim czasie odkryto wiele cząstek elementarnych lub ich odmian, tak że obecnie znamy ich ponad 200. Większość z tych cząstek ma bardzo krótki okres życia i ulega rozpadowi na inne cząstki elementarne. I tak na przykład w wyniku oddziaływania nukleonów lub jąder, przyśpieszonych w akceleratorach, z mezonami p powstają cząstki elementarne zwane hiperonami. Należą do nich hiperony: L (lambda) S (sigma) X (ksi) W (omega), których masa jest od 2182 do 3278 raza większa od masy elektronu. Hiperony są bardzo nietrwałe i mają średni czas życia rzędu 10-10 s. Ze względu na duże prawdopodobieństwo z nukleonami są one zaliczane do wspólnej z nimi grupy cząstek elementarnych, zwanych barionami.

Każdej z cząstek elementarnych odpowiada antycząstka, której masa spoczynkowa, spin (własny moment pędu) oraz średni czas życia jest taki sam, jak odpowiadającej jej cząstki, natomiast ładunek elektryczny ma tę samą wartość, lecz jest przeciwnego znaku. Pozyton, który jest antycząstką elektronu, jest cząstką trwałą jedynie w próżni, bowiem w obecności elektronu, wskutek różnoimiennych ładunków elektrycznych cząstki te przyciągają się wzajemnie i po zetknięciu ulegają anihilacji tzn. przekształcają się w dwa fotony promieniowania.

W latach 1955-56 odkryto antyproton oraz antyneutron, które również po zetknięciu ze swoimi odpowiednikami ulegają anihilacji mimo że zarówno neutron jak i antyneutron są elektrycznie obojętnie.
Antyprotony, antyneutrony i pozytony mogą tworzyć atomy antymaterii. Na podstawie ogólnego założenia symetrii we Wszechświecie można przypuszczać, że jest on w połowie wypełniony taką właśnie antymaterią.

Obfitość cząstek elementarnych odkrytych w ostatnim czasie stała się dla fizyków bodźcem poszukiwań obiektów, z których zbudowane są te cząstki. W roku 1964 wysnuto hipotezę o istnieniu trzech podstawowych składników materii, z których zbudowana jest większość cząstek elementarnych (poza fotonami i leptonami). Składniki te nazwano kwarkami.

Mimo, że istnienie kwarków zostało najprawdopodobniej potwierdzone w doświadczeniach z niesprężystymi zderzeniami szybkich elektronów z nukleonami, to jednak niezwykle prostej struktury materii, złożonej z trzech tylko podstawowych elementów, została podważona przez odkrycie w 1974 roku dwóch dalszych kwarków. Stwierdzono także różne stany kwantowe kwarków oraz możliwość przechodzenia kwarków z jednych stanów kwantowych w drugie, wskutek czego liczba elementarnych obiektów z których zbudowana jest materia wzrosłą do 18 i należy się liczyć z odkryciem dalszych ich odmian w przyszłości.