Los Premios Nobel de Física y de Química 1901-1999

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Los premios Nobel de Física y de Química los concede la Academia de Ciencias de Suecia, en base a los términos expresados por el Dr. Alfred Nobel en su testamento de 1895. El testamento sobre sus posesiones dice:

"todo el capital constituirá una fundación, será invertido de forma segura y el interés anual será distribuido en forma de premios a quienes hayan conseguido, en el año precedente, los mayores beneficios para la Humanidad. El interés será dividido en cinco partes iguales: una parte a la persona que haya hecho el descubrimiento o la invención más importante en el campo de la física; una parte a la persona que haya hecho el descubrimiento químico o el progreso más importante; una parte a la persona que haya hecho el descubrimiento más importante en el campo de la fisiología o medicina; una parte a la persona que haya producido en el campo de la literatura el trabajo más destacado en una dirección ideal; y una parte a la persona que haya hecho el mejor trabajo para la fraternidad entre las naciones, para la abolición o reducción de las armas y para la participación y promoción de congresos de paz."

  1. ¿Qué es la física?
  2. Desde la física clásica a la cuántica
  3. Microcosmos y Macrocosmos

Los premios Nobel en Física

¿Qué es la física? Ir al principio

La física se considera como la ciencia de la naturaleza más básica. Estudia los constituyentes fundamentales de la materia y sus interacciones así como la naturaleza de los átomos y la formación de moléculas y materia condensada. Trata de dar descripciones unificadas del comportamiento de la materia así como de la radiación, explicando todos los fenómenos posibles. En algunas de sus aplicaciones está muy próxima a las áreas clásicas de la química, y en otras hay una conexión con los fenómenos estudiados por los astrónomos. Las tendencias actuales apuntan a una aproximación de algunas áreas de la física y la microbiología. Aunque la química y la astronomía son disciplinas científicas claramente independientes, las dos utilizan los conceptos y herramientas de la física como una base en el tratamiento de sus respectivos problemas. Diferenciar qué es física y química en ciertas áreas es frecuentemente difícil. Esto ha sido ilustrado algunas veces en la historia de los premios Nobel. Así, algunos galardonados en química también son mencionados en los de física cuando sus trabajos están muy conectados a los trabajos de los premiados en física.

Desde la física clásica a la cuántica Ir al principio

En 1901, cuando se concedió en primer premio Nobel, el área clásica de la física se veía acabada y con una base firme realizada por físicos y químicos durante el siglo XIX. Hamilton formuló en 1830 una descripción muy general de la dinámica de los cuerpos rígidos. Durante la segunda mitad del siglo XIX Carnot, Joule, Kelvin y Gibbs desarrollaron la termodinámica hasta alcanzar un alto grado de perfección. Las ecuaciones de Maxwell eran aceptadas como una descripción general de los fenómenos electromagnéticos y también se aplicó a la radiación óptica y a las ondas de radio descubiertas por Hertz.

Sin embargo, muy pronto este estado de satisfacción se rompió cuando se empezó a sospechar que el estado de la física estaba construido sobre premisas falsas. En el período de cambio de siglo se hicieron observaciones de fenómenos que eran completamente desconocidos hasta entonces, y las ideas nuevas y radicales trajeron nuevas formulaciones sobre las bases teóricas de la física.

Uno de los fenómenos inesperados se produjo en 1895 con el descubrimiento de los rayos-X por W.C. Röntgen, que fue el primer galardonado en 1901. Otro fue el descubrimiento de la radiactividad por A.H Becquerel en 1896, y el estudio de esta radiación por Pierre y Marie Curie, les supuso el premio Nobel a los tres en 1903. Estos trabajos se combinan con el trabajo de E. Rutherford, galardonado con el premio en 1908, por el que comprendimos que los átomos contienen un núcleo compacto y muy pequeño. Algunos núcleos se comprobó que eran inestables y podían emitir radiaciones. Esto fue revolucionario en aquel tiempo, ya que condujo, a través de trabajos paralelos en áreas distintas, a la creación de la primera representación de la estructura de los átomos.

En 1897, J.J. Thomson trabajando con los rayos que salían del cátodo, en un tubo vacío, identificó los transportadores de carga eléctrica. Demostró que estos rayos consisten en partículas llamadas electrones, por lo que recibió el premio Nobel en 1906. Al poco tiempo, en 1912, R. Millikan hizo la primera medida de la carga del electrón y recibió el premio en 1923, también fue galardonado por sus trabajos en el efecto fotoeléctrico.

Cuando comenzó el siglo XX, las ecuaciones de Maxwell existían, pero quedaban cuestiones importantes sin contestación: ¿qué tipo de medio propaga la radiación electromagnética (incluida la luz) y cuáles son los transportadores de las cargas eléctricas emitidas por emisión de luz?. Albert Michelson desarrolló un método interferométrico, por el que las distancias entre los objetos pueden medirse como un número de longitudes de onda de luz, o fracciones de las mismas. Esto supuso poder comparar longitudes de la forma más exacta posible hasta entonces. Muchos años después, se definió la unidad metro en términos del número de longitudes de onda de una radiación particular. Usando un interferómetro, Michelson junto a E. Morley, realizó su famoso experimento por el que se obtiene que la velocidad de la luz es independiente del movimiento relativo de la fuente de luz y el observador. Este hecho refutó las suposiciones de la existencia del éter como un medio para la propagación de la luz. Michelson recibió el premio Nobel en 1907.

Los mecanismos de emisión de luz por los transportadores de carga eléctrica fue estudiado por H. Lorentz, quien fue uno de los primeros en aplicar las ecuaciones de Maxwell a las cargas eléctricas en la materia. Su teoría también se aplica a la radiación debida a las vibraciones en los átomos. Al comienzo de 1896 P. Zeeman investigó los posibles efectos de los campos eléctricos y magnéticos sobre la luz, hizo un importante descubrimiento conocido por su nombre, que las líneas espectrales del sodio en una llama se dividen en algunos componentes cuando se le aplica un campo magnético fuerte. Este fenómeno se interpreta detalladamente por la teoría de Lorentz, como una aplicación de las vibraciones de los electrones recientemente descubiertos, por lo que Lorentz y Zeeman recibieron el premio Nobel en 1902. Después, J. Stark demostró el efecto directo de los campos eléctricos sobre la emisión de luz, exponiendo rayos de átomos a fuertes campos eléctricos observó una complicada separación de líneas espectrales como en el efecto Doppler dependiendo de las velocidades de los emisores. Stark recibió el premio en 1919.

Con estos antecedentes, fue posible construir modelos detallados para los átomos. Los átomos en la antigüedad eran objetos conceptuales pero en la física clásica eran considerados sin estructura. En la segunda mitad del siglo XIX se acumuló un rico material empírico de las líneas espectrales emitidas por los átomos en el espectro visible, a esto los rayos-X característicos descubiertos por C. Barkla, premiado en 1917, lo que unido a la clarificación posterior de la naturaleza ondulatoria de esta radiación y su difracción por Max von Laue, premiado en 1914, también supuso una importante fuente de información sobre la estructura interna de los átomos.

Los rayos-X característicos de Barkla son rayos secundarios, específicos para cada elemento expuesto a la radiación desde tubos de rayos-X, pero independiente de la forma química de las muestras. Karl Manne Siegbahn realizó las medidas de los espectros característicos de rayos-X de todos los elementos y demostró la sistemática, cómo consecutivamente las capas electrónicas son añadidas cuando vamos desde los elementos ligeros a los pesados. Para realizar estos experimentos diseñó espectrómetros de una alta precisión, por los que las diferencias de energía entre capas diferentes, y pudo establecer también reglas para la radiación de las transiciones entre las capas. Recibió el premio Nobel en 1924. Además, ello supuso un cambio radical en el conocimiento de la estructura atómica.

La física clásica considera que el movimiento es continuo y debido tanto a la ganancia como a la pérdida de energía. Entonces ¿por qué los átomos nos envían radiaciones con unas determinadas longitudes de onda?. Aquí, una línea paralela de desarrollo de finales del siglo XIX, dio importantes pistas para su interpretación. Wilhelm Wien estudió la radiación del cuerpo-negro desde cuerpos sólidos calientes (los cuales en contraste con la radiación desde átomos en gases, tienen una distribución continua de frecuencias). Usando la electrodinámica clásica, obtuvo una expresión para la distribución de las frecuencias de esta radiación y el cambio de la longitud de onda de intensidad máxima, cuando la temperatura del cuerpo negro cambia (la ley de desplazamiento de Wien se usa para determinar la temperatura del Sol). Fue galardonado con el premio Nobel en 1911.

Sin embargo, Wien no pudo obtener una fórmula que explicase los experimentos para las longitudes de onda cortas y largas. El problema no se explicó hasta que Max Planck introdujese su idea nueva y radical de que la energía radiada se puede emitir sólo en quanta, es decir, en porciones que tienen un valor definido, mayor para las longitudes de onda corta que para las largas (igual a una constante h veces la frecuencia de la radiación). Esto se considera como el nacimiento de la física cuántica. Wien recibió el premio Nobel en Física en 1911 y Planck en 1918 (galardonado en 1919). Verificaciones muy importantes que vinieron a dar luz sobre la forma en que se observan los quanta de energía se deben a Albert Einstein al interpretar el efecto fotoeléctrico (observado por primera vez por Hertz en 1887) con lo que se extendió la teoría de Planck. Einstein recibió el premio Nobel en 1921 y el galardón en 1922. La motivación del premio citó sus otros servicios a la Física teórica.

Experimentos posteriores realizados por James Franck y Gustav Hertz demostraron el inverso del efecto fotoeléctrico (es decir, un electrón que choca sobre un átomo, debe tener una energía mínima específica para producir un cuanto de luz de una energía determinada desde él) y demostraron que la validez general de las expresiones de Planck implican la constante h. Franck y Hertz compartieron el premio en 1925. Por el mismo tiempo, Arthur Compton (que recibió la mitad del premio en 1927) estudió la pérdida de energía de un fotón de rayos-X cuando es desparramado sobre partículas materiales, y demostró que los quanta de rayos-X, cuyas energías son diez mil veces mayores que las de la luz, también obedecen las reglas cuánticas. La otra mitad del premio se le concedió a Charles Wilson, cuyo aparato para observar dispersiones a altas energías se puede usar para verificar las predicciones de Compton.

Con el concepto de cuantización de la energía plenamente aceptado, sirvió de base para posteriores aventuras en el mundo desconocido de la microfísica. Niels Bohr, como otros físicos anteriores, trabajó con un modelo planetario en el que los electrones circulaban alrededor del núcleo de un átomo. Bohr consideró que la intensidad de las líneas espectrales emitidas por los átomos se pueden explicar sólo si los electrones están circulando en órbitas estacionarias caracterizadas por un momento angular cuantizado (unidades enteras de la constante de Planck dividida por 2p) y que las frecuencias emitidas ? corresponden a la emisión de radiación con energía h? igual a la diferencia entre estados de energía cuantizados de los electrones. Esta interpretación considera más la física clásica que la hipótesis de Planck. Aunque explica algunos de los hechos obtenidos de los espectros ópticos en una forma original, fue aceptado que la aproximación de Bohr debe ser corregida desde el principio, y recibió el premio Nobel en 1922. Ello originó que una discusión profunda de las propiedades de la radiación y de la materia (hasta entonces consideradas como formando dos categorías diferentes) fue necesaria para progresos posteriores en la descripción teórica del micromundo. En 1923 Luis de Broglie propuso que las partículas materiales también pueden tener propiedades ondulatorias, ahora que se ha demostrado que la radiación electromagnética manifiesta aspectos de partícula en forma de fotones. Él desarrolló matemáticamente expresiones para este comportamiento dual, incluyendo lo que posteriormente se ha llamado la “longitud de onda de De Broglie” de una partícula en movimiento. Experimentos realizados con anterioridad, por Davisson, indicaron que los electrones pueden experimentar efectos de reflexión similarmente a las ondas cuando alcanzan un cristal y estos experimentos se repitieron ahora verificando la longitud de onda asociada predicha por De Broglie. Algo después, George Thomson (hijo de J.J. Thomson) hizo mejores experimentos sobre electrones a alta energía penetrando finas capas metálicas, con los que demostró muy claramente los efectos de difracción. De Broglie fue galardonado por sus teorías con el premio Nobel en 1929 y Davisson y Thomson lo compartieron en 1937. Lo que ha quedado fue la formulación de una teoría nueva y consistente que sustituyó la mecánica clásica, válida para fenómenos atómicos y sus radiaciones asociadas.

Los años 1924-1926 fueron un período de intenso desarrollo en esta área. Erwin Schrödinger, posteriormente, se basó en las ideas de De Broglie y escribió un artículo, a principios de 1926, fundamental sobre “La cuantización como un problema de eigenvalores (valores propios)”. Schrödinger creó lo que se ha llamado “mecánica cuántica”. Pero el año anterior, Werner Heisenberg, partió desde una aproximación matemáticamente diferente, llamada “mecánica de matrices”, por la que llegó a resultados equivalentes (como demostró posteriormente Schrödinger). La nueva mecánica de Schrödinger y Heisenberg significó un nuevo y fundamental punto de partida para los objetos atómicos, desde la representación intuitiva de las órbitas clásicas, y también implicó que hay limitaciones naturales sobre la precisión con las que ciertas cantidades se pueden medir simultáneamente (relaciones de incertidumbre de Heisenberg). Heisenberg fue galardonado con el premio Nobel en 1932 por el desarrollo de la mecánica cuántica, mientras Schrödinger lo compartió un año después (1933) con Paul M. Dirac. La mecánica cuántica de Schrödinger y Heisenberg era válida para velocidades relativamente bajas y las energías asociadas con el movimiento “orbital” de los electrones de valencia en los átomos, pero sus ecuaciones no llenan los contenidos de las reglas de Einstein para partículas que se mueven rápidamente. Dirac construyó un formalismo modificado que tomó en cuenta los efectos de la relatividad especial de Einstein, y demostró que esta teoría no sólo contiene términos correspondientes al espín intrínseco de los electrones (y por tanto explica su momento magnético intrínseco y la estructura fina observada en los espectros), sino que también predice la existencia de un nuevo tipo de partículas, con masa igual pero carga distinta y llamadas antipartículas. La primera antipartícula que se descubrió, fue la del electrón, observada en 1932 por Carl Anderson, y se le dio el nombre de “positrón” (galardonado con el premio en 1936).

Otros que han contribuido al desarrollo de la teoría cuántica y han sido galardonados con el premio Nobel en años posteriores. Max Born, supervisor de Heisenberg al comienzo de los años veinte, hizo unas contribuciones importantes a su formulación matemática e interpretación física. Recibió el premio Nobel en 1954 por su trabajo en la interpretación estadística de la función de onda. Wolfgang Pauli formuló su principio de exclusión (que establece que en un estado cuántico puede haber un solo electrón) aunque sobre la base de la teoría cuántica antigua de Bohr. Este principio posteriormente se encontró que estaba asociado con la simetría de las funciones de onda para las partículas de espín semientero, que se llaman ahora fermiones para distinguirlas de las partículas bosones cuyos espines son múltiplos enteros de . El principio de exclusión tiene consecuencias profundas en muchas áreas de la Física y Pauli recibió el premio Nobel en 1945.

El estudio de los espines del electrón continuó abriendo nuevos horizontes en la Física. Los métodos de precisión para determinar los momentos magnéticos de espín de las partículas se desarrollaron, durante las décadas de los treinta y cuarenta, para los átomos y los núcleos (por Stern, Rabi, Bloch y Purcell) y en 1947 se alcanzó tal precisión, que Polykarp Kusch estableción que el momento magnético de un electrón no tiene exactamente el valor predicho por Dirac, ya que difiere en una pequeña cantidad. Por aquel tiempo, Willis Lamb trabajó sobre un problema similar del espín del electrón interaccionando con campos magnéticos, por el estudio de la estructura fina de la radiación óptica del hidrógeno con métodos de resonancia de una frecuencia de radio de alta resolución. Encontró que la separación en la estructura fina no tiene exactamente el valor predicho por Dirac, sino que difiere en una significativa cantidad. Estos resultados estimularon una reconsideración de los conceptos básicos detrás de la aplicación de la teoría cuántica al electromagnetismo, un campo del que partió Dirac, Heisenberg y Pauli pero sufrió algunas insuficiencias. Kush y Lamb fueron galardonados con el premio Nobel en 1955.

En electrodinámica cuántica (QED), las partículas cargadas interaccionan mediante el intercambio de fotones virtuales, como describe la teoría de perturbación cuántica. Las versiones antiguas consideran sólo el intercambio de un sólo fotón, pero Sin-Itiro Tomonaga, Julián Schwinger y Richard Feynman demostraron que la situación es actualmente más complicada, ya que la dispersión electrón-electrón puede suponer el intercambio de algunos fotones. Una carga puntual “desnuda” no existe en su representación, ella siempre produce una nube de pares partícula-antipartícula virtuales a su alrededor, de tal forma que su momento magnético efectivo cambia y el potencial de Coulomb se modifica a cortas distancias. Cálculos que parten de esa representación han reproducido los datos experimentales de Kush y Lamb hasta un grado tal de precisión que la moderna QED se considera la teoría más exacta. Tomonaga, Schwinger y Feynman compartieron el premio Nobel en 1965.

Este progreso en QED se aplicó también a la descripción de los fenómenos de altas energías. La noción de producción de par desde un estado “vacío” de un campo cuantizado (como un proceso virtual y como una materialización real de partículas), es una concepto central en la moderna teoría de campos de interacciones fuertes, la cromodinámica cuántica (QCD).

Otro aspecto básico de la mecánica cuántica y la teoría del campo cuántico es las simetrías de las funciones de onda y los campos. Las propiedades de simetría bajo intercambio de partículas idénticas está detrás del Principio de Exclusión de Pauli., aunque las simetrías con respecto a las transformaciones espaciales han jugado un papel igualmente importante. En 1956, Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang apuntaron que las interacciones físicas no pueden ser siempre simétricas respecto a la reflexión en un espejo (que pueden ser distintas si consideramos un sistema de coordenadas dextrógiro o levógiro). Esto significa que la propiedad de la función de onda llamada “paridad”, denotada por “p”, no se conserva cuando el sistema se expone a una interacción y la propiedad reflexión en el espejo puede cambiar. Lee y Yang trabajaron para buscar estos efectos y pronto demostraron que la desintegración beta y la desintegración , que son causadas por la llamada “interacción débil” no conservan la paridad. Lee y Yang fueron galardonados con el premio Nobel en 1957.

Otras simetría en mecánica cuántica están relacionadas con la sustitución de una partícula con su antipartícula, llamada conjugación de carga (simbolizada “C”). En las situaciones discutidas por Lee y Yang se encontró que aunque la paridad no se conservó en las transformaciones radiactivas hay una simetría en el sentido que partículas y antipartículas quiebran la paridad exactamente en caminos opuestos y, por tanto, la operación combinada “C” ? “P” da resultados que preservan la simetría. Aunque James Cronin y Val Fitch encontraron un modo de desintegración entre “mesones K” que viola este principio, aunque en sólo en poco. Cronin y Fitch hicieron su descubrimiento en 1964 y fueron galardonados con el premio Nobel en 1980. Las consecuencias de su resultado (que incluyen cuestiones sobre la simetría de procesos naturales bajo inversión del tiempo, llamado “T”) son discutidas hoy y consideradas por los físicos teóricos, porque la simetría “P” ? “C” ? “T” se ha de cumplir siempre.

El campo electromagnético es conocido por tener otra propiedad, llamada “simetría gauge”, que significa que las ecuaciones del campo son invariables aunque los potenciales electromagnéticos se multipliquen por ciertos factores de fase mecánico cuánticos, o “gauges”. Ello no fue autoevidenciado hasta que la interacción débil tendría esta propiedad, pero fue un principio guiado en el trabajo de Sheldon Glashow, Vaduz Salam y Steven Weinberg al final de la década 1960, cuando formularon una teoría que describió la interacción electromagnética y débil sobre la misma base. Ellos fueron galardonados conjuntamente con el premio Nobel en 1979 por esta descripción unificada y, en particular, por su predicción de un tipo particular de interacción débil mediada por “corrientes neutras”, las cuales se han encontrado recientemente en experimentos.

El premio Nobel en 1999 se le dio a Gerhardus Hooft y Martinus Veltman. Ellos demostraron el camino para renormalizar la teoría de la interacción débil, para lo que fue necesario quitar términos que tienden a infinito en cálculos mecánico cuánticos (como QED hizo para solucionar un problema similar para la interacción de Coulomb). Su trabajo permitió cálculos detallados de las contribuciones de la interacción débil a las interacciones de partículas en general, comprobando la utilidad de teorías basadas sobre la invarianza gauge para todos los tipos de interacciones físicas básicas.

La mecánica cuántica y sus extensiones a las teorías del campo cuántico es uno de los mayores logros del siglo XX. Este esbozo de la ruta desde la física clásica a la moderna física cuántica, nos ha llevado a un largo camino hacia una descripción unificada y fundamental de las diferentes partículas y fuerzas en la naturaleza, pero queda mucho por hacer y la meta está aun lejos. Lo que todavía queda, por ejemplo, unificar la fuerza electro-débil con la fuerza nuclear fuerte y con la gravedad. Pero aquí hay que apuntar que la descripción cuántica del micromundo tiene otras aplicaciones importantes: el cálculo de propiedades químicas de sistemas moleculares (algunas veces extendidas a biomoléculas) y de estructuras de la materia condensada, ramas que han sido distinguidas con algunos premios, tanto en física como en química.

Microcosmos y Macrocosmos Ir al principio

“Desde la física clásica a la cuántica”, tomamos como un viaje desde los fenómenos del mundo macroscópico como encontramos en nuestra experiencia diaria, a el mundo cuántico de átomos, electrones y núcleos. Con los átomos como punto de partida, la posterior penetración en el micromundo subatómico y sus más pequeños constituyentes lo ilustraremos con los trabajos de otros Laureados con los Nobel.

En la primera mitad del siglo XX se realizó un trayecto en el micro-mundo de nuevas partículas e interacciones era una fuente de información en el conocimiento de la composición y en la historia de la evolución de las grandes estructuras del universo, el macrocosmos. En la presente etapa de física de partículas elementales, astrofísica y cosmología están fuertemente atados, como lo demuestran los siguientes ejemplos.

Otro punto de conexión entre los objetos más pequeños y los más grandes de nuestro Universo es las teorías de la relatividad de Albert Einstein. Einstein desarrolló primero su teoría especial de la relatividad en 1905, en la que expresa la relación energía-masa E=mc2. En la siguiente década, continuó con su teoría de la relatividad general, en la que conecta las fuerzas gravitatorias con la estructura del espacio y tiempo. Los cálculos de las masas efectivas para partículas a alta energía, de las transformaciones de energía en la desintegración radiactiva así como en las predicciones de Dirac de las antipartículas, se pueden realizar sobre la base de la teoría especial de la relatividad. La teoría general es la base para cálculos de movimientos de gran escala en el Universo, incluyendo las propiedades de los agujeros negros, etc. Einstein recibió el premio Nobel en 1921, debido al trabajo sobre efecto fotoeléctrico en el que demostró el aspecto de partícula de la luz.

Los trabajos de Becquerel, los Curie y Rutherford dieron lugar a nuevas cuestiones: ¿ cuál era la fuente de energía en la radiactividad nuclear que pueda sostener la emisión de la radiación durante grandes intervalos de tiempo, como observaron algunos de ellos, y cuál era la composición de las partículas pesadas ?. El primero de estos problemas (que era visto como una violación de la ley de conservación de la energía, uno de los principales principios de la Física) encontró su solución en la teoría de la transmutación, formulada por Rutherford y Frederick Soddy (premio Nobel de Química en 1921). Ellos siguieron con detalle algunas series diferentes de desintegración radiactiva y compararon la energía emitida con las diferencias de masa entre los núcleos “padres” e “hijos”. También encontraron que el núcleo asociado al mismo elemento químico puede tener diferente masa; estas especies diferentes se llaman “isótopos”. El premio Nobel de Química en 1922 se concedió a Francis Aston por la separación espectroscópica de gran número de isótopos de elementos no radiactivos. Marie Curie recibió por entonces su segundo premio Nobel, esta vez en Química, por el descubrimiento de los elementos químicos radio y polonio. Todas las masas de los isótopos se encontraron que eran múltiplos de la masa del protón, una partícula que fue vista por primera vez por Rutherford cuando irradió núcleos de nitrógeno con partículas alfa. Sin embargo los distintos isótopos no pueden estar hechos sólo de protones ya que cada elemento químico debe tener un solo valor de la carga nuclear. Los protones se ha encontrado que tienen menos de la mitad de la masa nuclear, lo que significa que alguna partícula neutra debe estar presente en el núcleo. James Chadwick fue el primero en encontrar evidencias de tales partículas, los neutrones, cuando estudió las reacciones nucleares en 1932. Recibió el premio Nobel en física en 1935. Poco después del descubrimiento de Chadwick, los neutrones los utilizaron para trabajar Enrico Fermi y otros como medio de inducir reacciones nucleares que puedan producir nueva radiactividad “artificial”. Fermi encontró que la probabilidad de las reacciones inducidas por neutrones (que no implica transformación de elementos), se incrementa cuando los neutrones eran lentos y que estos trabajaban igualmente bien para los elementos pesados y para los ligeros, en contraste con las reacciones inducidas por partículas cargadas. Recibió el premio Nobel en 1938.

Con los protones y los neutrones se construyeron los núcleos atómicos, se estableció la rama de “física nuclear” y algunos de sus mejores investigadores fueron distinguidos con el premio Nobel. Ernest Lawrence recibió el premio Nobel en 1939, construyó el primer ciclotrón en el que la aceleración tiene lugar por añadir pequeñas cantidades de energía a las partículas que circulan en un campo magnético. Con estas máquinas fue capaz de acelerar partículas nucleares cargadas hasta energías tan altas que pueden inducir reacciones nucleares y obtener nuevos resultados importantes. Sir John Cockcroft y Ernest Walton aceleraron partículas por aplicación directa de voltajes eléctricos muy altos y fueron galardonados por sus estudios de transmutación de elementos en 1951. Otto Stern recibió el premio Nobel en Física en 1943 por sus métodos experimentales de estudiar las propiedades magnéticas del núcleo, en particular la medida del momento magnético del propio protón. Isidor Rabi incrementó la precisión de la determinación del momento magnético del núcleo en más de dos órdenes de magnitud, con su técnica de resonancia de radio frecuencia por la que fue galardonado con el premio Nobel en 1944. Las propiedades magnéticas del núcleo nos proporcionan información importante para conocer con detalle la constitución del núcleo desde los protones y los neutrones.

Posteriormente, en la segunda mitad del siglo XX, algunos teóricos fueron galardonados por su trabajo sobre el modelo teórico de su sistema complejo de muchas partículas: Eugene Wigner (la mitad del premio), Maria Goeppert-Mayer (un cuarto) y Hans Jensen (un cuarto) en 1963 y Aage Bohr, Ben Mottelson y James Rainwater en 1975. Hicieron estos trabajos bajo el título “Desde sistemas simples a complejos”.

Al principio de 1912, fue encontrado por Victor Hess (galardonado en 1936 con Carl Anderson) que una radiación muy penetrante nos llega continuamente desde el espacio exterior. Esta “radiación cósmica” fue detectada, en primer lugar, en cámaras de ionización y posteriormente por Wilson en la cámara de niebla. Las propiedades de las partículas en la radiación cósmica se pueden deducir desde las trayectorias curvas que producen cuando se las somete a fuertes campos magnéticos. De esta forma fue como C. Anderson descubrió el positrón. Anderson y Patrick Blackett demostraron que el par electrón-positrón puede producir rayos (que necesita una energía fotónica igual al menos a 2mec2 y que los electrones y positrones pueden aniquilarse, produciendo rayos cuando ellos desaparecen. Blackett recibió el premio Nobel en 1948 por el desarrollo posterior de la cámara de niebla y los descubrimientos hechos con ella.

Aunque los aceleradores se desarrollaron posteriormente, la radiación cósmica continuó por dos décadas siendo la fuente principal de partículas energéticas (y aún es la mejor y el acelerador mas potente sobre la tierra, aunque con extremadamente baja intensidad), y proporcionó la primera señal de un mundo subnuclear completamente desconocido. Un nuevo tipo de partículas llamadas mesones fueron observadas en 1937, teniendo una masa aproximadamente 200 veces la de los electrones (pero diez veces más ligeras que la de los protones). En 1946, Cecil Powell clarificó la situación demostrando que hay más de un tipo de tales partículas. Una de ellas, el mesón , se desintegra en otro, el mesón . Powell fue galardonado con el premio Nobel en 1950.

Por aquel tiempo, los teóricos estaban especulando sobre las fuerzas que mantienen unidos en el núcleo a los protones y a los neutrones. Hideki Yukawa sugirió en 1935, que esta fuerza “fuerte” se debe o está motivada por una partícula que se intercambian, de igual forma que en la nueva teoría del campo cuántico la fuerza electromagnética se considera que se debe a un intercambio de fotones virtuales. Yukawa consideraba que tal partícula debe tener una masa de unos 200 electrones, para explicar el corto alcance de la fuerza fuerte en los experimentos. Powell encontró que el mesón tenía las propiedades adecuadas para actuar como una “partícula de Yukawa”. La partícula tenía, sin embargo, un carácter completamente diferente (y su nombre se cambió de “mesón-mu” a “muón”). Yukawa recibió el premio Nobel en física en 1949. Aunque progresos posteriores demostraron que el mecanismo de la fuerza fuerte es más complejo que el considerado por Yukawa, él fue el primero en considerar o exponer las ideas sobre los transportadores de la fuerza en este camino fructífero.

En la década de 1950 se descubrieron nuevas partículas, tanto en la radiación cósmica como en las colisiones con los aceleradores de partículas. A finales de la década, los aceleradores alcanzaron energías de varios GeV, lo que significa que por conversión de energía a masa se pueden crear pares de partículas con masas igual a la masa del protón. Este fue el método usado por el equipo de Owen Chamberlain y Emilio Segrè cuando ellos primero identificaron y estudiaron el antiprotón en 1955 (compartieron el premio Nobel de física en 1955). Los aceleradores de alta energía también han hecho posible estudios detallados de las estructuras de los protones y de los neutrones, y Robert Hofstadter fue capaz de distinguir detalles de la estructura electromagnética de los nucleones observando como ellos dispersan electrones a muy alta energía. Por lo que fue galardonado con el premio Nobel en 1961. Uno tras otro, aparecieron nuevos mesones con sus respectivas antipartículas, se detectaron en las placas fotográficas o en los detectores de partículas electrónicas. Se estableció la existencia del predicho “neutrino”, que era fundamento teórico por Pauli en los primeros años de la década de 1930. La primera evidencia experimental directa del neutrino la proporcionaron Cowan y Reines en 1957, pero no fue hasta 1995 cuando su descubrimiento fue galardonado con la mitad del premio Nobel (aunque Cowan había muerto en 1984). El neutrino participa en los procesos de interacción “débil” (como la desintegración y la desintegración de los mesones en muones) y, cuando la intensidad de los chorros de partículas se incrementan, hace que sea posible producir chorros secundarios de neutrinos desde los aceleradores. Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger desarrollaron este método en la década de 1960 y demostraron que los neutrinos que acompañan la emisión en la desintegración no eran idénticos a los asociados con los electrones en la desintegración ; ellos son dos partículas diferentes.

Los físicos pueden ahora empezar a diferenciar algún orden en medio de las partículas: el electrón, el muón, el neutrino electrónico, el neutrino muónico y sus antipartículas se denominan como una clase llamada “leptones”. Ellas no interactúan en la interacción nuclear fuerte, que es característica de los protones, neutrones, mesones e hiperones (una serie de partículas más pesadas que los protones). La clase leptón se extendió en la década de 1970 cuando Martín Perl y su descubrimiento del chorro de leptones , una relativamente más pesada que el electrón y el muón. Perl compartió el premio Nobel de física con Reines en 1995.

Todos los leptones son considerados realmente fundamentales, es decir puntuales y sin estructura interna, sin embargo para los protones esto no es cierto. Murray Gell-Mann y otros clasificaron las partículas que interactúan fuertemente. Gell-Mann recibió el premio Nobel de física en 1969. Su sistemática se basó en que todas estaban construidas desde constituyentes más elementales, llamados “quarks”. La prueba real de que los nucleones estaban construidos desde objetos como quark vino de los trabajos de Jerome Friedman, Henry Kendall y Richard Taylor. Ellos serraron granos duros dentro de estos objetos cuando estudiaron como los electrones (de energía aún superior a la de Hofstadter) se dispersaban inelásticamente sobre ellos. Compartieron el premio Nobel en 1990.

Se conoció que todas las partículas que interactúan fuertemente están hechas de quarks. A mediados de la década de 1970 se descubrió una partícula de corta vida, se descubrió independientemente por los chorros de Burton Richter y Samuel Ting, fue encontrado que contenía un desconocido tipo de quark y se le dio el nombre de “charm”. Este quark estaba ausente en la sistemática de las partículas elementales y Burton y Ting recibieron el premio Nobel en 1976. El actual modelo estándar de física de partículas clasifica las partículas en tres familias, en cada una con dos quarks (y sus antipartículas) y dos leptones: en la primera los quarks “up” y “down”, el electrón y el neutrino-electrón; en la segunda los quark “strange” y “charm”, el muón y el neutrino-muón; y en la tercera los quarks “top” y “bottom”, el tauón y el neutrino-tauón. La fuerza se transmite o transporta para la combinada interacción electro-débil por el fotón, la partícula Z y los bosones W, y para la interacción fuerte entre quarks por los llamados gluones.

En 1983, la existencia de las partículas W y Z fue probada por Carlo Rubia en el chorro que usaba para una colisión protón-antiprotón, con suficiente energía para la producción de estas partículas muy pesadas. Rubia compartió el premio Nobel en 1984 con Simon van der Meer que hizo una contribución decisiva a la construcción de esta colisión por su invención del “enfriamiento estocástico” de partículas (estocástico o al azar). Existen especulaciones sobre si se pueden producir más partículas a energías superiores que las de los aceleradores actuales, pero no hay evidencias experimentales.

La cosmología es la ciencia que trata de la estructura y evolución del universo y de sus objetos a gran escala. Sus modelos se basan en las propiedades de las partículas fundamentales conocidas y sus interacciones así como de las propiedades espacio-tiempo y gravitación. El modelo “big-bang” describe un posible escenario para la primera evolución del universo. Una de sus predicciones fue verificada experimentalmente cuando en 1960 Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica de microondas de fondo. Ellos compartieron el premio Nobel en 1978. Esta radiación es debida a la luminosidad producida por la violenta explosión que ocurrió en las primeras etapas del big bang. Su temperatura de equilibrio es de 3 kelvin en la edad actual del universo. Es uniforme cuando se observa en diferentes direcciones, las pequeñas desviaciones isotrópicas están siendo investigadas.

El espacio exterior se ha comparado a una zona grande donde interaccionan las partículas en condiciones extremas, no reproducibles en un laboratorio, y son creadas espontáneamente. Las partículas se pueden acelerar a energías mas altas que en cualquier acelerador sobre la Tierra, proliferan reacciones de fusión nuclear en el interior de las estrellas, y la gravitación puede comprimir las partículas hasta una densidad extremadamente alta. Hans Bethe describió primero los ciclos del hidrógeno y del carbono, en los que la energía se libera en las estrellas por fusión de protones en núcleos de helio. Por estas explicaciones recibió el premio Nobel en 1967.

Subramanyan Chandrasekhar describió teóricamente la evolución de las estrellas, en particular aquellas que terminan como “enanas blancas”. Bajo ciertas condiciones el producto final puede ser una estrella de neutrones, un objeto extremadamente compacto, donde todos los protones se han convertido en neutrones. En explosiones supernova, los elementos pesados creados durante la evolución de la estrella son diseminados al espacio externo. Los detalles de algunas de las reacciones nucleares más importantes en las estrellas y la formación de elementos pesados fueron dilucidadas por William Fowler de forma teórica y de forma experimental usando aceleradores. Fowler y Chandrasekhar recibieron el premio Nobel en 1983.

La luz visible y la radiación de fondo cósmica no son las únicas formas de ondas electromagnéticas que nos llegan del espacio externo. La radio astronomía de longitud de onda larga nos proporciona información sobre objetos astronómicos que no se pueden ver por espectroscopia visible. Sir Martín Ryle desarrolló el método en el que las señales desde algunos telescopios separados se combinan para incrementar la resolución en los mapas de radio fuentes del cielo. Anthony Hewish y su grupo hicieron un descubrimiento inesperado en 1964 usando los telescopios de Ryle: pulsos de radio frecuencia eran emitidos con velocidades de repetición muy bien definidos por algunos objetos desconocidos llamados pulsares. Estos se identificaron pronto como estrellas de neutrones, actuando con un movimiento de rotación rápido emitiendo radio-ondas porque son también fuertes imanes. Ryle y Hewish compartieron el premio Nobel en 1974.

En 1974, buscando el pulsar en una operación rutinario de radio astrónomos, una nueva sorpresa apareció en el verano cuando Russell Hulse y Joseph Taylor descubrieron modulaciones periódicas en las frecuencias del pulso de un pulsar recientemente descubierto, llamado PSR 1913+16. Fue el primer pulsar doble detectado, así llamado porque la estrella de neutrones que está emitiendo es una de los componentes de un sistema cerrado de dos estrellas, con el otro componente de aproximadamente igual tamaño. Este sistema nos ha proporcionado, por observación durante más de 20 años, la primera evidencia concreta para la radiación gravitatoria. El decrecimiento de su frecuencia de rotación están en buena medida con las predicciones basadas en la teoría de Einstein, para disminuciones causadas por este tipo de radiación. Hulse y Taylor compartieron el premio Nobel en 1993. Por otra parte, la detección directa de radiación gravitatoria sobre la Tierra aún no se ha hecho.