Aineen rakenne

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli 23.9.2008 vuorossa professori Jukka Maalampi, jonka aiheena oli Mitä aine on. Esitelmä pidettiin Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Esitelmällä oli 78 kuulijaa.

Esitelmässä kerrottiin siitä, miten tieteen käsitys aineen olemuksesta on muuttunut ja kehittynyt vuosituhansien aikana. Keskeisiä virstanpylväitä ovat olleet tyhjyyden hyväksyminen osaksi ainetta, aineen atomaarisuus, atomien pysyvyys ja monet "turhat" aineen muodot. Koostuuko aine ehkä kymmenessä ulottuvuudessa väräjävistä säikeistä? Eräs avoin kysymys on aineen massan alkuperä, johon pyritään saamaan vastaus CERNin uudella LHC-kiihdyttimellä tehtävillä kokeilla. Etsintäkuulutettuna on ns. Higgsin hiukkanen.

Klikkaa kuvaa!
Professori Jukka Maalampi esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Jukka Maalampi toimii fysiikan professorina Jyväskylän yliopistossa. Hänen tutkimusalanaan on teoreettinen hiukkasfysiikka, erityisesti hiukkasastrofysiikka ja hiukkaskosmologia. Hän luennoi myös fysiikan historiasta. Maalampi on myös ollut aktiivinen fysiikan yleistajuistaja. Hänen viimeisin kirjansa Maailmanviiva, Albert Einstein ja moderni fysiikka ilmestyi Ursan kustantamana 2006. Kirja ilmestyi hiljattain myös saksaksi.

Historia

Miten käsitys aineen perimmäisestä rakenteesta on kehittynyt aikojen kuluessa? Mitä ajattelemme siitä nyt?

Esitemässä tarkasteltiin näitä kysymyksiä lähtemällä liikkeelle antiikin kreikkalaisten ainekäsityksistä. Anaksimandros (609-546 eaa) esitti, että maailmankaikkeus syntyi alkukaaoksesta tai ”alkumassasta” apeironista, joka on sukua tyhjiölle. Anaksimenes (585-525 eaa) taas oli sitä mieltä, että kaikki olevainen on ilmaa vaihtelevalla tiheydellä. Esimerkiksi kivet ovat ilmaa, mutta erityisen tiheää ilmaa.

Empedokles (490-430 eaa) taas esitti, että kaikki aine koostuu neljästä alkuaineesta eli elementistä, jotka olivat tuli, vesi, maa ja ilma. Elementit eivät muutu toisikseen, mutta ne vuorovaikuttavat keskenään. Vuorovaikutuksia Empedokles kutsui vihaksi ja rakkaudeksi. Neljän elementin teoria säilyi renesanssiin (vuosiin 1300-1500) asti.

Leukippos ja hänen oppilaansa Demokritos (n. 370-460 eaa) esittivät, että kaikkeus koostuu tyhjyydestä ja siellä liikkuvista atomeista ja niiden muodostamista kappaleista. Atomeilla vain muutamia ominaisuuksia: koko, muoto ja massa. Muodot selittivät mm. aineen maun. Tyhjiö eli vakuumi tarkoittaa sitä, että ei ole mitään.

Klikkaa kuvaa!
Maalammen esitelmää kuunteli 78 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Tyhjyyden kauhu

Uudella ajalla kreikkalaisten tyhjyys herätti vastustusta. René Descartes (1596-1650) esitti, että tyhjä avaruus on ajatuksenakin mahdoton. Plenum eli eetteri täyttää koko avaruuden. Aine on jatkuvaa. Eetterihypoteesi oli fysiikassa laajasti hyväksytty dogmi, joka hallitsi fysiikkaa 1900-luvun alkuun asti.

Evangelista Torricelli (1608-1647) sai aikaan ensimmäisen tyhjiön vuonna 1643. Hän täytti pitkän lasiputken elohopealla. Sitten hän käänsi putken ympäri ja laittoi sen avonaisen pään elohopea-astiaan. Elohopeaa oli putkessa 760 mm verran ja sen yläpuolella oli tyhjiö.

Atomit takaisin luonnontieteisiin

John Dalton (1766-1844) selitti 1800-luvun alussa kemialliset reaktiot atomien ja molekyylien avulla. Kullakin alkuaineella on omat atominsa, jotka eroavat massaltaan. Tällä tavalla oli ymmärettävissä kemiallisten yhdisteiden synty ja luonne. Useimmat fyysikot eivät uskoneet Daltonin ajatuksiin, tyhjyys atomien välillä epäilytti.

Ludvig Boltzman (1844-1906) otti kuitenkin Daltonin teorian vakavasti. Hän kehitti kaasujen tilastollisen teorian, jossa kaasun rakenneosina olivat atomit ja molekyylit. Atomeista ja molekyyleistä tuli fyysikoille todellisuutta, kun Albert Einstein (1879-1955) esitti 1905 selityksen Brownin liikkeelle. Brownin liike on pienten ainehiukkasten satunnaista poukkoilua nesteessä, jota voi seurata mikroskoopilla. Einstein pystyi selittämään tämän poukkoilun Boltzmannin teorian avulla. Jean Perrinin (1870-1942) koetulokset vahvistivat Einsteinin laskelmat, mikä oli lopullinen voitto atomiteorialle.

Atomin rakenne selviää

Spektriviivat olivat ensimmäinen vihje atomin sisäisestä rakenteesta. J.J. Thomson (1856-1940) löysi elektronin vuonna 1897. Elektronit ovat vastuussa atomien kemiallisista ominaisuuksista. Ernest Rutherford (1871-19379 löysi atomista ytimen. Ydin on läpimitaltaan vain miljoonasosa koko atomin koosta. Jos ydin olisi jalkapallon kokoinen, elektronit kiertäisivät sitä satojen metrien etäisyydellä. Atomi on siis enimmäkseen tyhjää!

Niels Bohrin atomimalli

Niels Bohr (1885-1962) esitti, että klassisen fysiikan lait eivät päde atomissa. Energia on kvantittunut eli elektronit voivat liikkua siellä vain tietyillä erillisillä nopeuksilla.

Klikkaa kuvaa!
Niels Bohr Kööpenhaminassa vuonna 1935. Kuva Wikipedia.

Mikä sitten pitää pitää atomin koossa? Vastaus on kvanttimekaniikka! Atomin hajottamiseen tarvitaan tietty vähimmäismäärä energiaa. Normaalioloissa atomien törmäyksissä on vähemmän energiaa. Aine säilyttää rakenteensa.

Atomin puristaminen kokoon vaatii äärimmäiset olosuhteet. Tähtien romahduksessa elektronit joutuvat ytimiin ja syntyy neutronitähti. Tiheys on sama kuin ydinaineen tiheys eli 10 potenssiin 18 kg kuutiometrissä.

Ensimmäiset hiukkaset

Protonia ja elektronia pidettiin jonkin aikaa aineen perusosina. Mutta sitten löydettiin neutroni vuonna 1932, joita on atomiytimissä suunnilleen yhtä paljon kuin protonejakin.

Paul Dirac (1902-1984) keksi antihiukkaset vuonna 1928. Antihiukkaset olivat ensimmäinen aineen "tarpeeton" muoto. Niitä ei ole eikä tarvita pysyvän aineen rakenneosina. Vuonna 1931 keksittiin teoreettisesti neutriino, joka todennettiin kokeellisesti vasta vuonna 1956. Neutriinon vuorovaikutus muun aineen kanssa on äärimmäisen vähäistä. Niitä syntyy radioaktiivisten ytimien beetasäteilyn yhteydessä.

Myoni keksittiin 1938, pioni 1945 jne. Tarpeettomia, ei-pysyviä hiukkasia alettiin löytää runsaasti. Kiihdyttimillä löydettiin kymmenittäin erilaisia hadroneita. Nyt niitä tunnetaan jo noin 400.

1960-luvulla keksittiin kvarkkimalli, joka selitti näiden satojen hiukkasten alkuperän. Hadronit muodostuvat kolmesta kvarkista tai kvarkista ja antikvarkista.

Perushiukkaset

Tämän hetkisen käsityksen mukaan perushiukkasia ovat kuusi kvarkkia, kuusi leptonia ja perusvoimien välittäjähiukkaset. Leptoneja ovat kolme neutriinoa sekä elektroni, myoni ja tau-hiukkanen. Voimien välittäjähiukkasia ovat fotoni, gluoni sekä Z- ja W-bosoni.

Avoimia kysymyksiä ovat mm. onko perushiukkasilla alkeellisempi alirakenne? Mikä on massan alkuperä. Mikä on painovoiman kvanttiluonne. Kysytäänkö aineen perimmäsitä rakennetta pohdittaessa ylipäänsä oikeita kysymyksiä?

Seuraavassa tarkastellaan kysymyksiä yksityiskohtaisemmin. Ensinnäkin onko lisää alirakenteita? Nykyisin tunnetaan seuraavat rakenteet: molekyylit, atomit, ytimet, nukleonit (ytimen hiukkaset) ja kvarkit. Jatkuuko ketju? Loppuvatko tutkimisen keinot?

Einstein esitti kuuluisan kaavansa sata vuotta sitten: energia on yhtä kuin massa kertaa valon nopeus toiseen potenssiin. Massa mittaa hiukkasen sisäistä energiaa. Mitä sitten on "varsinainen" massa?

Klikkaa kuvaa!

Higgsin kenttä

Massan alkuperä on nykyisen käsityksen mukaan seuraavanlainen. Avaruuden täyttää Higgsin kenttä, jonka vaikutus hiukkasiin ilmenee massana. Higgsin hiukkasta ei ole vielä löydetty. Sitä yritetään etsiä Sveitsin Genevessä olevalla CERNin uudella LHC-laitteella, joka on sijoitettu maanalaiseen 27 km mittaiseen tunneliin.

Jukka Maalampi vertasi Higgsin kenttää ja hiukkasta Keskustan puoluekokoukseen. Puoluekokousväki on ikään kuin Higgsin kenttä. Matti Vanhanen saapuu - hiukkanen saapuu. Vanhanen kerää ympärilleen väkeä, eteneminen hidastuu. Tämä on: hiukkanen saa massan, nopeus on pienempi kuin valon nopeus. Toisella kertaa joku huutaa salin ovelta: " Matti tulee naisen kanssa". Tieto leviää suusta suuhun läpi salin. Saliin syntyy "häiriö". Ja tämä on Higgsin hiukkanen.

Painovoiman kvanttiluonne on myös vaikea ongelma. Lupaavin teoria on supersäieteoria. Hiukkaset ovat sen mukaan erilaisia säikeiden värähtelyjä 10-ulotteisessa avaruudessa. Tämä olisi täysin uusi kuva aineesta!

Uusin teoria on teoria ns. epähiukkasesta. Niin sanotuissa skaalattomissa teorioissa, joita teoreetikot ovat tutkineet, aine ei voi olla hiukkasina. Skaalattomuus tarkoittaa sitä, että luonto näyttää samalta kaikissa kokoluokissa. Kun vuorovaikutuksen energia pienenee, kaiken pitäisi skaalata mukana. Massa on muuttumaton, joten se rikkoo skaalattomuuden. Aine on energiaa, mutta energia ei ole massan muodossa. Epähiukkaset olisivat ”piilovaikuttajina” tavallisen aineen ilmiöissä.

Seuraavana Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa dosentti Karl Johan Donner, jonka aiheena on kuinka maailmankaikkeus tuli näkyviin. Esitelmä on tiistaina 21.10 klo 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Tervetuloa, vapaa pääsy!

Jukka Maalampi ja Seppo Linnaluoto