Aine

Aine, eli materia (lat. materia) määritellään usein substanssiksi, josta havaittavat fysikaaliset objektit ja maailmankaikkeus koostuvat. Valo, energian aiheuttamat ilmiöt ja voimat eivät ole ainetta. Havaittu aine koostuu atomeista, jotka koostuvat edelleen pienemmistä osasista.

Kaikki aine koostuu alkuaineista tai niiden yhdisteistä. Kemiallisissa reaktioissa alkuaineet eivät muutu toisiksi alkuaineiksi, mutta ne voivat sitoutuva toisiinsa siten, että syntyy uusia yhdisteitä. Vastaavasti yhdisteet voivat hajota toisiksi yhdisteiksi ja/tai alkuaineiksi. Kemiallisessa reaktiossa alku-aineiden ja yhdisteiden kokonaismassa säilyy. Tätä sanotaan aineen häviämättömyyden laiksi. Ydinreaktioissa alkuaineetkin muuttuvat toisiksi alkuaineiksi. Tällöin yleensä vapautuu myös energiaa, joka on pois kokonaismassasta.

Maailmankaikkeudesta hieman alle 30 % on ainetta ja noin 70 % on pimeää energiaa.^[1] Aineen katsotaan jääneen jäljelle symmetriarikon ansiosta alkuräjähdyksen jälkeisessä baryonigeneesissä noin 13,7 miljardia vuotta sitten.^[2] Aine esiintyy maailmankaikkeudessa pääosin kolmessa olomuodossa; kiinteänä, nesteenä ja kaasuna, sekä lisäksi plasmana, jonka asema aineen olomuotona on kuitenkin kiistanalainen. Aineen vastakohta on antiaine.

Klassinen "aine" koostuu fermioneista, joita ovat kvarkit ja leptonit. Kvarkkeja tunnetaan kuusi lajia, joiden nimet ovat ylös, alas, huippu, pohja, outo ja lumo. Kvarkkeja ei esiinny vapaina, vaan ne ovat aina yhtyneinä joko kolmen kvarkin muodostamiksi hadroneiksi tai yhden kvarkin ja yhden antikvarkin muodostamiksi mesoneiksi.

Kaikki tavallinen aine muodostuu atomeista. Atomin ytimen muodostavat protonit ja neutronit, joista käytetään yhteisnimitystä nukleoni. Molemmat muodostuvat kolmesta kvarkista. Protoni koostuu kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkista, neutroni sen sijaan yhdestä ylös- ja kahdesta alas-kvarkista. Koska ylös-kvarkin sähkövaraus on +2/3 alkeisvarausyksikköä e ja alas-kvarkin -1/3 e, on protonin varaus +1 e ja neutronilla ei ole varausta. Muita kvarkkeja ei tavallisessa aineessa esiinny, mutta esimerkiksi hiukkaskiihdyttimillä niitä on voitu tuottaa.

Atomin ydintä kiertävät elektronit, jotka kuuluvat leptoneihin. Elektronin sähkövaraus on -1 alkeisvarausyksikköä. Atomissa on normaalisti yhtä monta elektronia kuin sen ytimessä on protoniakin, joten se on sähköisesti neutraali. Jos elektronien lukumäärä poikkeaa protonien määrästä, on kyseessä sähköisesti varautunut ioni. Atomit yhdistyvät edelleen kemiallisilla sidoksilla molekyyleiksi ja nämä edelleen nesteiksi ja kiinteiksi aineiksi.

Elektronin ohella on olemassa muitakin leptoneja: myoni ja tau-hiukkanen sekä kolme lajia neutriinoja. Näitä esiintyy kuitenkin lähinnä vain kosmisessa säteilyssä.

Fermionien lisäksi on olemassa toinenkin alkeishiukkasryhmä: bosonit. Ne välittävät vuorovaikutuksia aineen perushiukkasten välillä. Bosoneja ovat mesonit, gluonit ja fotonit. Mesonit ja gluonit ovat vahvan vuorovaikutuksen sekä fotonit sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia. Heikkoa vuorovaikutusta välittää W-bosoni. Teorian edellyttämiä, mutta vielä löytymättömiä bosoneja ovat Higgsin hiukkanen sekä gravitoni. Higgsin hiukkasen on päätelty selittävän kaikkien alkeishiukkasten massan, gravitonin puolestaan olevan painovoimaa eli gravitaatiota välittävä hiukkanen.

Higgsin bosonia vastaava hiukkanen on löydetty CERNin LHC-hankkeessa 4. heinäkuuta 2012.^[3][4]

Kaikille hiukkasille oletetaan löytyvän antihiukkanen supersymmetriateorian perusteella siten, että jokaisella hiukkasella on vastaava antihiukkanen. Useat näistä on havaittu, ennen kaikkea antikvarkit ylös ja alas, sekä antielektroni eli positroni. Antiprotoni ja antineutroni ovat kolmen antikvarkin yhdistelmiä. Näin ollen on teoreettisesti mahdollista konstruoida esimerkiksi antivety, jonka atomissa olisi ytimenä antiprotoni ja sen ympärillä positroni.

Maailmankaikkeuden massasta oletetaan huomattavan osan olevan niin sanottua pimeää ainetta. Pimeää ainetta ei ole voitu suoranaisesti havaita, mutta sen olemassaolo on päätelty tähtitieteellisesti sen gravitaatiovaikutuksen avulla.

Pimeä energia on luonteeltaan tarkemmin tuntematon energian muoto, jonka tiedetään kiihdyttävän maailmankaikkeuden laajenemista. Merkitykseltään sen voidaan sanoa vastaavan Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian varhaisimmissa versioissa esiintynyttä kosmologista vakiota. Myöhemmin Einstein tosin poisti kosmologisen vakion yhtälöistään, mutta uudempien tutkimusten perusteella se olisi niihin palautettava.

• Karttunen, Hannu: Fysiikka. (Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89) Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1