Vem upptäckte partikelteorin?

Partikelteorin om materia upptäcktes inte så mycket som den formulerades, och den formuleringen började i det antika Grekland.

Den person som anses ha tänkt på idén att världen består av små, odelbara partiklar är filosofen Democritus, som levde mellan 460 och 370 fvt. Han utarbetade ett experiment för att bevisa sin idé, och medan Democritus-experimentet kan verka alltför förenklat idag hjälpte det till att föda upp konceptet med atomen, som är central för den moderna förståelsen av materia.

Under århundradena som följde experimentet gjorde Democritus-partikelteorin inte mycket framsteg, men i början av 1800-talet togs det upp av den engelska kemisten och fysikern John Dalton (1766 - 1844).

Daltons arbete förblev praktiskt taget oförändrat under större delen av ett sekel tills ett besättning av moderna fysiker som inkluderade sådana namn som Thompson, Rutherford, Bohr, Planck och Einstein blev involverade. Det var då gnistor började flyga, och världen gick in i kärnåldern.

Det låter som om ordet ”demokrati” kanske härstammar från hans namn, men Democritus var inte en politisk filosof. Ordet kommer faktiskt från de grekiska orden demos, vilket betyder "folket" och kratein, vilket betyder "att härska."

Känd som den "skrattande filosofen" på grund av den stora betydelse han lade på glädje, gjorde Democritus ett annat viktigt ord: atom. Han hänvisade till de små partiklarna som utgör allt i universum som atomos, vilket betyder oklippbart eller odelbart.

Detta var inte hans enda banbrytande bidrag till vetenskapen. Democritus var också den första som konstaterade att ljuset vi ser från Vintergatan är det kombinerade ljuset från en mängd enskilda stjärnor. Han föreslog också förekomsten av andra planeter och postulerade till och med existensen av flera universum, en idé som ligger i framkant för vetenskapen idag.

Enligt Aristoteles (384 - 322 fvt) trodde Democritus att människans själ var sammansatt av eldatomer och jordatomer. Detta stred mot Aristoteles tro att världen består av de fyra elementen luft, eld, jord och vatten, och att förhållandet mellan elementen bestämde sakens egenskaper.

Aristoteles trodde till och med att elementen kunde omvandlas till varandra, en idé som drivit sökandet efter filosofens sten under medeltiden.

Varken Aristoteles eller den lika inflytelserika Platon (cirka 429 - 347 f.Kr.) prenumererade på Democritus-partikelteori, och det skulle ta 2000 år för den "skrattande filosofen" att tas allvarligt. Det kan ha något att göra med experimentet som Democritus utformade för att bevisa sin teori, som var mindre än övertygande.

Democritus resonerade att om du tar en sten eller något annat föremål och fortsätter att dela den i hälften kommer du så småningom till en bit som är så liten att den inte kan delas upp mer. Det sägs att han utförde detta experiment med en snäckskal, och när han reducerade skalet till ett fint pulver som han inte längre kunde skära i mindre bitar ansåg han detta bevis på sin sats.

Democritus var en materialist, till skillnad från Platon och Aristoteles, som trodde att syftet med händelserna var viktigare än deras orsaker. Han var en pionjär inom matematik och geometri, och han var bland få människor vid den tiden som trodde att jorden var sfärisk. Även om han inte kunde bevisa det på ett övertygande sätt, fanns hans uppfattning om atomer mestadels i tomt utrymme, var och en hade lite kardborre-stil krok som gjorde det möjligt att ansluta till andra atomer, är inte så långt borta från den moderna vetenskapliga modellen av atom.

Var Democritus teori korrekt? Svaret är ett kvalificerat ja, men det betraktades inte ens som en möjlighet förrän 1800. Det var då John Dalton gick igenom det medan han arbetade med lagen om konstant sammansättning som förespråkades av den franska kemisten Joseph Proust. Prousts lag följde direkt från lagen om bevarande av massa, som hade upptäckts av en annan fransk kemist, Antoine Lavoisier.

Lagen om konstant sammansättning anger att ett prov av en ren förening, oavsett hur den erhålls, alltid innehåller samma element i samma massproportioner. Dalton insåg att detta bara kunde vara sant om materien bestod av odelbara partiklar, som han kallade atomer (med en nick med huvudet mot Democritus). Dalton gjorde fyra uttalanden om materia som tillsammans utgör hans atomteori:

• All materia består av oförstörbara och odelbara partiklar som kallas atomer.
• Atomer av ett specifikt element är identiska i massa och egenskaper.
• Atomer kan kombineras för att bilda föreningar.
• När en kemisk reaktion inträffar beror det på en omorganisation av atomer.

Daltons atomteori förblev praktiskt taget oförändrad under större delen av 1800-talet.

Under hela artonhundratalet hade en debatt rasat om ljusets natur - huruvida det förökades som en våg eller en partikel. Många experiment bekräftade våghypotesen, och många fler bekräftade den korpuskulära. År 1887 upptäckte den tyska fysikern Heinrich Hertz den fotoelektriska effekten när han gjorde experiment med en gnistgapgenerator. Denna upptäckt visade sig vara mycket viktigare än Hertz insåg.

Runt den tiden tog den engelska fysikern J.J. Thompson upptäckte den första subatomära partikeln, elektronen, genom att undersöka katodstrålarnas beteende. Hans upptäckt hjälpte till att förklara vad som utgjorde den elektriska urladdningen från en ledande platta när du lyser ljus på den - vilket är den fotoelektrisk effekt - men inte vad som orsakar urladdning eller varför styrkan hos den elektriska impulsen är relaterad till ljusfrekvensen. Lösningen fick vänta till 1914.

Ingen annan än Albert Einstein förklarade den fotoelektriska effekten i termer av små kallade energipaket kvantitet. Dessa hade föreslagits av den tyska fysikern Max Planck 1900. Einsteins förklaring bevisade kvantteori, och han tilldelades Nobelpriset för det.

Quanta, som Planck uppfattade dem, var både partiklar och vågor samtidigt. Enligt Planck bestod ljuset av kvantiteter som kallades fotoner, som var och en hade en viss energi definierad av dess frekvens. År 1913 använde den danska fysikern Neils Bohr Plancks teori för att ge den planetära modellen av atomen, som hade föreslagits av Nya Zeelands fysiker Ernest Rutherford 1911, en kvantöverföring.

I Bohrs modell av atomen kan elektroner byta omlopp genom att avge eller absorbera en foton, men eftersom fotoner är diskreta paket kan elektronerna bara byta omlopp i diskreta mängder. Två experimenter, James Franck och Gustav Hertz, utformade ett experiment som bekräftade Bohrs hypotesen genom att bombardera kvicksilveratomer med elektroner, och de gjorde det utan att ens veta om Bohrs arbete.

Med två modifieringar har Bohrs modell överlevt till nuvarande, även om de flesta moderna fysiker anser att det är en approximation. Den första modifieringen var upptäckten av protonen av Rutherford 1920, och den andra var upptäckten av neutronen av den brittiska fysikern James Chadwick 1932.

Den moderna atomen är en bekräftelse av Democritus-partikelteorin, men det är också något av en förkastelse. Atomer visar sig inte vara odelbara, och det är också sant för de elementära partiklar som utgör dem. Du kan dela upp elektroner, protoner och neutroner i mindre partiklar som kallas kvarkar, och det kan till och med vara möjligt att dela upp en kvark. Resan nerför kaninhålet är långt ifrån över.