Tama artikkeli kasittelee fyysista ainetta eli materiaa. Sanan muita merkityksia on lueteltu
tasmennyssivulla
.
Aine
, eli
materia
(
lat.
materia
) maaritellaan usein
substanssiksi
, josta havaittavat fysikaaliset objektit ja maailmankaikkeus koostuvat. Valo, energian aiheuttamat ilmiot ja voimat eivat ole ainetta. Havaittu aine koostuu
atomeista
, jotka koostuvat edelleen pienemmista osasista.
Kaikki aine koostuu
alkuaineista
tai niiden
yhdisteista
.
Kemiallisissa reaktioissa
alkuaineet eivat muutu toisiksi alkuaineiksi, mutta ne voivat sitoutuva toisiinsa siten, etta syntyy uusia yhdisteita. Vastaavasti yhdisteet voivat hajota toisiksi yhdisteiksi ja/tai alkuaineiksi. Kemiallisessa reaktiossa alku-aineiden ja yhdisteiden kokonais
massa
sailyy. Tata sanotaan
aineen haviamattomyyden laiksi
.
Ydinreaktioissa
alkuaineetkin muuttuvat toisiksi alkuaineiksi. Talloin yleensa vapautuu myos energiaa, joka on pois kokonaismassasta.
Maailmankaikkeudesta
hieman alle 30 % on ainetta ja noin 70 % on
pimeaa energiaa
.
[1]
Aineen katsotaan jaaneen jaljelle symmetriarikon ansiosta
alkurajahdyksen
jalkeisessa
baryonigeneesissa
noin 13,7 miljardia vuotta sitten.
[2]
Aine esiintyy maailmankaikkeudessa paaosin kolmessa
olomuodossa
;
kiinteana
,
nesteena
ja
kaasuna
, seka lisaksi
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
ylos
,
alas
,
huippu
,
pohja
,
outo
ja
lumo
. Kvarkkeja ei esiinny vapaina, vaan ne ovat aina yhtyneina 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 kaytetaan yhteisnimitysta
nukleoni
. Molemmat muodostuvat kolmesta kvarkista. Protoni koostuu kahdesta
ylos-kvarkista
ja yhdesta
alas-kvarkista
, neutroni sen sijaan yhdesta ylos- ja kahdesta alas-kvarkista. Koska ylos-kvarkin
sahkovaraus
on +2/3
alkeisvarausyksikkoa
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
hiukkaskiihdyttimilla
niita on voitu tuottaa.
Atomin ydinta kiertavat
elektronit
, jotka kuuluvat leptoneihin. Elektronin sahkovaraus on -1 alkeisvarausyksikkoa. Atomissa on normaalisti yhta monta elektronia kuin sen ytimessa on protoniakin, joten se on sahkoisesti neutraali. Jos elektronien lukumaara poikkeaa protonien maarasta, on kyseessa sahkoisesti varautunut
ioni
. Atomit yhdistyvat edelleen
kemiallisilla sidoksilla
molekyyleiksi
ja nama edelleen
nesteiksi
ja
kiinteiksi aineiksi
.
Elektronin ohella on olemassa muitakin leptoneja:
myoni
ja
tau
-hiukkanen seka kolme lajia
neutriinoja
. Naita esiintyy kuitenkin lahinna vain
kosmisessa sateilyssa
.
Fermionien lisaksi on olemassa toinenkin
alkeishiukkasryhma
:
bosonit
. Ne valittavat
vuorovaikutuksia
aineen perushiukkasten valilla. Bosoneja ovat
mesonit
,
gluonit
ja
fotonit
. Mesonit ja gluonit ovat
vahvan vuorovaikutuksen
seka fotonit
sahkomagneettisen vuorovaikutuksen
valittajahiukkasia.
Heikkoa vuorovaikutusta
valittaa
W-bosoni
. Teorian edellyttamia, mutta viela loytymattomia bosoneja ovat
Higgsin hiukkanen
seka
gravitoni
. Higgsin hiukkasen on paatelty selittavan kaikkien alkeishiukkasten massan,
gravitonin
puolestaan olevan painovoimaa eli
gravitaatiota
valittava
hiukkanen
.
Higgsin bosonia vastaava hiukkanen on loydetty
CERNin
LHC
-hankkeessa 4. heinakuuta 2012.
[3]
[4]
Kaikille hiukkasille oletetaan loytyvan antihiukkanen
supersymmetriateorian
perusteella siten, etta jokaisella hiukkasella on vastaava
antihiukkanen
. Useat naista on havaittu, ennen kaikkea anti
kvarkit
ylos
ja
alas
, seka anti
elektroni
eli
positroni
. Antiprotoni ja antineutroni ovat kolmen antikvarkin yhdistelmia. Nain ollen on teoreettisesti mahdollista konstruoida esimerkiksi antivety, jonka atomissa olisi ytimena antiprotoni ja sen ymparilla positroni.
Maailmankaikkeuden
massasta
oletetaan huomattavan osan olevan niin sanottua
pimeaa ainetta
. Pimeaa ainetta ei ole voitu suoranaisesti havaita, mutta sen olemassaolo on paatelty tahtitieteellisesti sen gravitaatiovaikutuksen avulla.
Pimea energia
on luonteeltaan tarkemmin tuntematon energian muoto, jonka tiedetaan kiihdyttavan maailmankaikkeuden laajenemista. Merkitykseltaan sen voidaan sanoa vastaavan
Einsteinin
yleisen suhteellisuusteorian
varhaisimmissa versioissa esiintynytta
kosmologista vakiota
. Myohemmin Einstein tosin poisti kosmologisen vakion yhtaloistaan, mutta uudempien tutkimusten perusteella se olisi niihin palautettava.
- Karttunen, Hannu:
Fysiikka
. Tiedetta kaikille. Ursan julkaisuja 89. Helsingissa: Tahtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006.
ISBN 952-5329-32-1
.