Esitelmä luonnon perusvoimista

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa esitelmä luonnon perusvoimista. Fil. tri Jari Laamanen esitelmöi aiheesta "Miksi pysymme koossa? Luonnon perusvoimat" Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Esitelmällä oli 50 kuulijaa.

Fil. tri Jari Laamanen

Luonnon perusvoimat vaikuttavat jokapäiväiseen elämäämme, vaikkemme siihen useinkaan kiinnitä huomiota. Mitä nämä voimat ovat, miten ne vaikuttavat ja millainen on teoreettinen ymmärryksemme niistä?

Havaitsemme neljä perusvuorovaikutusta, jotka määrittelevät pohjimmiltaan jokaisen fysikaalisen ilmiön maailmankaikkeudessa. Millaisia ne ovat? Entä onko niitä todellakin neljä?

Fil. tri Jari Laamanen toimii tutkijana Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksella, tutkimusalana hiukkasfysiikan teoriat.

Johdanto

Aineen rakenteen ymmärtäminen ja selittäminen on kiehtonut aina.

Suuret ainemäärät koostuvat atomeista ja molekyyleistä. Aineen ominaisuudet määräytyvät atomien ja molekyylien ominaisuuksista.

Vastaavasti atomit koostuvat elektroneista ja ytimistä. Atomien ominaisuudet määräytyvät elektronien ja ytimien ominaisuuksista.

Luonnossa on neljä perusvuorovaikutusta. Taivaankappaleiden liikettä hallitsee gravitaatio eli painovoima. Maapallon painovoima pitää meidät Maan pinnalla. Avaruuslentäjät ovat avaruudessa esim. Maata kiertäessään painottomia.

Heikko voima taas esimerkiksi saa aikaan sen, että Aurinko loistaa varsin tasaisella valolla 10 miljardia vuotta eikä räjähdä vetypommin tavoin.

Sähkömagneettinen voima taas hallitsee normaalia ainetta eli atomeja. Sen vaikutuksesta mm. eri sähkövarauksen omaavat hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa. Jos taas hiukkasilla on sama sähkövaraus, ne karkoittavat toisiaan.

Vahva voima taas esim. pitää atomiytimet koossa. Vahva ydinvoima on voimista voimakkain, tosin sen kantama on kovin lyhyt. Toisena on sähkömagneettinen voima, ja kolmantena on heikko voima. Gravitaatio on voimista ylivoimaisesti heikoin, mutta massat voivat olla tavattoman suuria, niin että sen kokonaisvaikutus on hyvin suuri.

Klikkaa kuvaa!
Fil. tri Jari Laamanen esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto

Aineen rakenne

Atomikäsite on peräisin kreikkalaiselta filosofi Demokritokselta noin 2400 vuotta sitten. Hänen mielestään on mahdoton ymmärtää aineen ominaisuuksia, ellei aine koostu jakamattomista osista, atomeista.

Vastaavan käsityksen esitti n. 2000 vuotta myöhemmin Isaac Newton (1642–1727). Perushiukkaset ovat jakamattomia, äärettömän kovia hiukkasia, jotka eivät kulu eivätkä hajoa ja joita ei voi läpäistä. Näistä koostuva aine on aina samanlaista.

Englantilainen J.J. Thomson todisti vuonna 1897 katodisädekokeilla, että kaikissa eri aineissa on negatiivisesti varautuneita elektroneja.

Ernest Rutherford teki vuonna 1911 klassisen sirontakokeeen alfa-hiukkasilla. Koe osoitti, että atomin ydin on keskittynyt hyvin pienelle alueelle.

Näin oli osoitettu, että atomeilla oli hyvin pieni massiivinen ydin, jonka ympärillä oli elektroneja. Klassinen mekaniikka ei enää soveltunut selittämään atomien dynamiikkaa.

Vuosisadan vaihteessa huomattiin, että atomaarisiin ilmiöihin liittyvä sähkömagneettinen säteily ei ole jatkuvaa. Max Planck esitti 1901 hypoteesin, että säteily emittoituu kvantteina, joiden energia on E=hc/lambda. Kvantit ovat hyvin pieniä. 10 watin lamppu tuottaa triljoonittain fotoneja sekunnissa.

1905 Albert Einstein selitti valosähköisen ilmiön olettamalla valon olevan fotoneita, jotka myös absorboituvat vain kvantteina.

Vuonna 1913 Niels Bohr selitti, että fotoni syntyy elektronin muuttaessa liiketilaansa atomissa.

Vuonna 1927 Werner Heisenberg esitti epätarkkuusperiaatteensa. Sen mukaan hiukkasen paikkaa ja liikettä ei voi samanaikaisesti mitata mielivaltaisen tarkasti.

Atomin ydin

Ytimestä sinkoutuva radioaktiivinen alfa-säteily osoitti, että atomin ydin koostuu osista. Kevein atomi on vety, jolla on yksi elektroni. Vedyn ytimen, protonin varaus on sama kuin elektronin, mutta vastakkaismerkkinen, jotta atomi on neutraali.

Vuonna 1932 James Chadwick osoitti, että atomin ytimessä on neutraaleja hiukkasia, joiden massa on likimain protonin massa. Näin oli neutroni keksitty.

Miksi atomin ydin pysyy koossa, vaikka protonien välillä on hylkivä sähköinen voima?

Rutherfordin sirontakoe jo osoitti, että ytimen vaikutuspiirin ulkopuolella vaikutti ainoastaan sähkömagneettinen voima. Ydintä ei oltu pystytty rikkomaan. Ydinvoiman oli oltava hyvin vahva. Tämä oli siinä vaiheessa vielä arvoitus.

Klikkaa kuvaa!
Esitelmää kuunteli 50 ihmistä. Kuva Seppo Linnaluoto

Kvarkkimalli

Protonin ja neutronin kaltaisia hadronihiukkasia tunnetaan nykyisin jo noin 300. Ne eivät siten tunnu kovinkaan "alkeellisilta". Niinpä Murray Gell-Mann ja George Zweig kehittivät toisistaan riippumattomasti 1960-luvun alussa kvarkkimallin. Sen mukaan protoni koostuu uud-kvarkeista. Neutroni koostuu lähes samoin udd-kvarkeista. Kvarkkien varaukset ovat melko kummallisia. u-kvarkin varaus on +2/3, d-kvarkin -1/3. Nykyään tunnetaan kuusi kvarkkia.

Ydinvoiman tutkiminen johti alkeishiukkasfysiikan syntyyn. Pienten asioiden tutkiminen vaatii suuria energioita. Kvarkit eläät vankeudessa, vapaita yksittäisiä kvarkkeja ei ole havaittu. Ne ovat kahlittuina toisiinsa vahvan vuorovaikutuksen (eli ydinvoiman) välityksellä.

Tähän mennessä on löydetty kolme perhettä kvarkkeja ja leptoneita. Protoni ja neutroni koostuvat kvarkeista. Elektroni on leptonihiukkanen, se ei koostu kvarkeista. Nämä muodostavat tavallisen materian.

Hiukkaskiihdyttimet

Alkeishiukkasia tutkitaan kiihdyttimillä. Suurin, LHC-törmäytin (Large Hadron Collider, suom. suuri hadronitörmäytin), aloittaa toimintansa keväällä 2008 CERNissä Sveitsissä. Se on rakennettu 27 kilometrin mittaiseen tunneliin sadan metrin syvyyteen Sveitsin ja Ranskan rajalle. LHC-törmäyttimessä protonit törmäävät toisiinsa. Sillä voidaan myös törmäyttää raskaita ioneita, kuten lyijy-ioneita.

LHC:hen tulee kuusi hiukkasilmaisinta, jotka tuottavat kokeiden datan. Suomi osallistuu CMS:ään (Compact Muon Solenoid). Sen kokonaispaino on 12 500 tonnia.

Klikkaa kuvaa!
Suuressa 27 km pitkässä LHS-törmäyttimessä oleva CMS-ilmaisin. Se on 100 m syvällä Sveitsin ja Ranskan rajalla.

Kertaus

Muodostumme alkeishiukkasista, jotka vuorovaikuttavat vahvan, heikon, sähkömagneettisen sekä gravitaatiovuorovaikutuksen kautta. Vuorovaikutukset välittyvät mittabosonien kautta.

Aine muodostuu atomeista. Atomit koostuvat ytimistä ja elektroneista, jotka ovat leptoneita. Ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka taas muodostuvat kvarkeista.

Me pysymme koossa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen avulla. Atomien ytimet pysyvät koossa vahvan vuorovaikutuksen avulla.

Jotkut kysymykset kaipaavat vastausta. Tavallisen aineen kannalta yksi kvarkki- ja leptonisukupolvi olisi riittävä. Miksi on olemassa juuri kolme materian sukupolvea? Missä antimateria on?

Mistä hiukkasten massat ovat peräisin? Onko Higgsin hiukkasta?

Suurin osa maailmankaikkeudesta vaikuttaa olevan pimeää ainetta. Mitä se on?

Jatkuuko rakennehierarkia loputtomasti, vai onko loppu jo nähty kvarkkien erikoisena vankeutena?

Joka tapauksessa jokainen tason lisäys on merkinnyt tiedon ja ymmärryksen suurta järjestymistä ja synteesiä.

Seuraavana Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa dosentti Arto Luttinen. Hänen aiheensa on Elävä Maa. Esitelmä on tiistaina 9.10. klo 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa.

Seppo Linnaluoto