Aineen olemuksesta

Aineen olemuksestaJukka MaalampiFysiikan laitosJyväskylän yliopisto

Miten käsitys aineenperimmäisestärakenteesta onkehittynyt aikojenkuluessa?Mitä ajattelemme siitänyt?

AtomistitLoogisen päättelyn tuloksenapäädyttiin siihen, että ainetta eivoi jakaa loputtomasti.Varsinaista atomismia edelsimonia pohdintoja aineen jakosmoksen rakenteesta jasynnystä.

• Empedokles (490-430 eaa)– Kaikki aine koostuu neljästäelementistä: tuli,vesi, maa, ilma– Neljän elementin teoria säilyirenesanssiin (1300-1500 jaa)asti.Empedoklesinkirjoitusta

• Leukippos (400-l. eaa)– Kaikkeus koostuu tyhjyydestä jasiellä liikkuvista atomeista janiiden muodostamistakappaleista.• Demokritos (460?- 370? eaa )– Atomeilla vain muutamiaominaisuuksia: koko, muoto jamassa. Muodot selittivät mmaineen maun.– Aineiden poikkeavatominaisuudet johtuvat atomienerilaisista liikkeistä ja– erilaisista järjestyksistä.– Vakuumi = ei mitään

Tyhjyyden kauhu• Uudella ajalla kreikkalaistentyhjyys herätti vastustusta• René Descartes (1596-1650):Tyhjä avaruus onajatuksenakin mahdoton.• Plenum, eetteri, täyttää kokoavaruuden. Aine on jatkuvaa.• Eetterihypoteesi hallitsifysiikkaa 1900-luvun alkuunasti.

Evangelista Torricelli sai aikaanensimmäisen tyhjiön 1643.

Atomit takaisinluonnontieteisiin• John Dalton (1766-1844)– Selitti kemialliset reaktiotatomien ja molekyylien avulla– Kullakin alkuaineella on omatatominsa. Eroavat massaltaan.• Useimmat fyysikot eivätuskoneet, tyhjyys atomienvälillä epäilytti.• Ludvig Boltzmann (1844-1906) otti vakavasti. Kehittikaasujen tilastollisen teorian.

Brownin liikeAlbert Einstein selitti tilastollisenkaasuteorian pohjalta ilmiön 1905Jean Perrin varmisti pian Einsteininteorian tarkoilla mittauksillaLopullinen voitto atomiteorialle.

Atomimalli• J J Thomson: Elektronienlukumäärä atomissa verrannollinenatomipainoon.• LuumuvanukasmalliUmpiaineinen pallo

Rutherfordin ydinmalliKäsitys atomin rakenteesta uudellepohjalle.Ernst Rutherford (1871-1937)Atomi enimmäkseen tyhjää!!

• Niels Bohr (1885-1962)– Klassisen fysiikan lait eivät pädeatomissa– Energia kvantittunut

Mikä pitää atominkoossa?Kvanttimekaniikka!• Atomin hajottamiseen tarvitaantietty vähimmäismääräenergiaa.• Normaalioloissa atomientörmäyksissä vähemmänenergiaa. Aine säilyttäärakenteensa.

• Atomin puristaminen kokoonvaatii äärimmäiset olosuhteet.Tähtien romahduksessaelektronit joutuvat ytimiin jasyntyy neutronitähti. Tiheys onsama kuin ydinaineen tiheys10 18 kgm -3 .

Ensimmäiset hiukkaset• J.J.Thomson löysi elektroninvuonna 1897 tutkiessaan”katodisäteitä”.Elektroni jättää jäljenfluoresoivaan pintaanElektroni irtoaakatodilta.

• Protonia ja elektronia pidettiinjonkin aikaa aineenperusosina.• Neutroni löydettiin 1932• Paul Dirac (1902-1984 ) keksiantihiukkaset 1928.Ensimmäinen aineen”tarpeeton” muoto.

Hiukkasten kukkatarha• Tarpeettomia, ei-pysyviähiukkasia alettiin löytäärunsaasti, hadroneitakymmenittäin.• 1960-luvulla keksittiinkvarkkimalli.

Perushiukkaset• Tämänhetkinen käsitys

Avoimia kysymyksiä• Onko perushiukkasillaalkeellisempi alirakenne?• Massan alkuperä• Painovoiman kvanttiluonne• Kysytäänkö oikeitakysymyksiä?

Lisää alirakenteita?MOLEKYYLITATOMITYTIMETNUKLEONITKVARKIT??Jatkuuko ketju? Loppuvatkotutkimisen keinot?

Mitä on massa?• Einstein: Massa on hiukkasensisäisen energian mitta.E=mc 2 .• Protonin massa = kvarkkienmassa + kvarkkien liikeenergia+ kvarkkienvuorovaikutusenergia.• Kvarkkien massan osuus noin10%.• Jos kvarkit ovatperushiukkasia, niiden massatulee Higgsin kentästä.

Massan alkuperä• Nykykäsitys:Avaruuden täyttää Higgsinkenttä, jonka vaikutushiukkasiin ilmenee massana• Higgsin hiukkasta ei ole vielälöydetty.

Kvasipoliittinen esitys Higgsin mallistaKepunpuoluekokousväkeäHiggsinkenttäVanhanensaapuuHiukkanensaapuuVanhanenkerääympärilleenväkeä.Eteneminenhidasta.Hiukkanensaamassan.Nopeus

Higgsin hiukkanen”Hei, Mattitulee jonkinblondinkanssa!”Higgsinkenttäänsyntyy”häiriö”Tietoleviääsuustasuuhunläpi salin.Higgsinhiukkanen

Painovoimankvanttiluonne• Vaikea ongelma• Lupaavin teoria supersäieteoria• Hiukkaset ovat erilaisia säikeidenvärähtelyjä 10-ulotteisessaavaruudessa. Täysin uusi kuvaaineesta!

• Supersäieteorian testaaminenvaikeaa/mahdotonta.• Itse asiassa 100 500 erilaistateoriaa. Teorioiden ”maisema”.• Onko luovuttava teorioidentestattavuuden vaatimuksesta?

Epäaine• Tämän vuoden uutuus. (HowardGeorgi)• Perustuu ns skaalattomiinkenttäteorioihin. Vrt fraktaalit.• Skaalattoman teorian aineessa eivoi olla hiukkasia, sillä massatkiinnittävät mittakaavan.• Voivat vaikuttaa tavalliseenaineeseen. Nähtävissämittauksissa?

Kysymmekö oikeitakysymyksiä?• Atomien etsiminen turhaa?Aineen perusolemus eivälttämättä kuvattavissahiukkasina.• Pimeä aine? Meidä tavallinenaineemme marginaali-ilmiömaailmankaikkeudessa.• Lopullisia vastauksia saadaanvasta kun lopullinen teoria onkeksitty.