5 Hiukkasfysiikka ja maailmankaikkeus
FY08 Aine, säteily ja kvantittuminen
Modernin fysiikan sukupuu
Klassinen mekaniikka
Kvanttimekaniikka
Suppea suhteellisuusteoria
Yleinen suhteellisuusteoria
Kvanttikenttäteoria
Kvanttigravitaatioteoria, kaiken teoria?
?
?
Teoria aika-avaruudesta
Teoria aineesta
Standardimalli
- Hiukkasfysiikan standardimalli on alkeishiukkasia kuvaava teoria
- Kehittyi 1950–1970 -luvuilla, kun uusia hiukkasia löydettiin
- Liittää yhteen eri ilmiöitä kuvaavat kvanttimekaaniset mallit
- Malli selittää kaikki hiukkasreaktiot kolmen perusvuorovaikutuksen avulla
- Sähkömagneettinen vuorovaikutus
- Vahva vuorovaikutus
- Heikko vuorovaikutus
- Standardimalli on kvanttikenttäteoria
- Mitään ei voida ennustaa tarkasti, voidaan ainoastaan kuvata eri tapahtumien todennäköisyyksiä
- Teorian matemaattinen käsittely on monimutkaista
Alkeishiukkaset
- Alkeishiukkasilla ei ole sisäistä rakennetta
- Alkeishiukkasia ovat
- Kvarkit
- Leptonit (fermionit)
- Välittäjähiukkaset (bosonit)
Kuva: Wikipedia / CC BY-SA 3.0
+ näiden antihiukkaset
Oikeassa yläkulmassa hiukkasen massa yksikössä MeV/c²
Kuva: Krisztian Peters / CERN
Annihilaatio ja parinmuodostus
-
Annihilaatiossa hiukkanen ja antihiukkanen yhdistyvät tuottaen energiaa
- Syntyy kaksi fotonia, sillä energian ja liikemäärän on säilyttävä
- Massaa muuttuu energiaksi
-
Parinmuodostuksessa fotonista syntyy hiukkanen ja sen antihiukkanen
- Tapahtuu gammafotonin ja atomiytimen vuorovaikutuksessa
- Energiaa muuttuu massaksi
Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)
Perusvuorovaikutukset
- Maailmankaikkeudessa on neljä perusvuorovaikutusta, jotka selittävät kaikki maailmankaikkeuden ilmiöt
- Gravitaatiovuorovaikutus
- Sähkömagneettinen vuorovaikutus
- Vahva vuorovaikutus
- Heikko vuorovaikutus
Perusvuorovaikutusten ominaisuudet
| Vuorovaikutus | Välittäjä-hiukkanen | Suhteellinen voimakkuus | Kantama |
|---|---|---|---|
| Sähkömagneettinen vuorovaikutus | Fotoni | ||
| Vahva vuorovaikutus | Gluoni | ||
| Heikko vuorovaikutus | W- ja Z-bosonit | ||
| Gravitaatio | Gravitoni? |
\infty \ (1/r^2)
\sim 1 \ \text {fm}
\sim 0,001 \ \text {fm}
\infty \ (1/r^2)
10^{-2}
1
10^{-9}
10^{-38}
Higgsin hiukkanen
- Higgsin hiukkanen eli Higgsin bosoni on hiukkasfysiikan standardimallin ennustama alkeishiukkanen
- Se välittää vuorovaikutuksen avaruuden täyttävän ns. Higgsin kentän ja hiukkasten välillä aiheuttaen hiukkasille massan
- Mitä voimakkaammin hiukkanen vuorovaikuttaa Higgsin kentän kanssa, sitä suurempi sen massa on
Kuva: CERN
Suhteellisuusteoria
- Aika-avaruus on neliulotteinen avaruus (x, y, z, t)
- Gravitaatio johtuu avaruuden kaarevuudesta
- Kaarevuuden aiheuttaa kappaleiden massat ja suuret energiat
- Fysiikan lait ovat samat jokaiselle vakionopeudella liikkuvalle havaitsijalle
- Valonnopeus on tyhjiössä sama kaikille havaitsijoille
- Aika on suhteellista
Kosmologian synty
- Yleinen suhteellisuusteoria kykenee ennustamaan maailmankaikkeuden
- Muodon
- Koon
- Menneisyyden ja tulevaisuuden
- Maailmankaikkeuden muotoa, historiaa ja kehitystä tutkivaa fysiikkaa kutsutaan kosmologiaksi
| Koko | Äärellinen | Ääretön | |
| Kaarevuus | Positiivinen (pallomainen) | Nolla (tasainen) | Negatiivinen (satulapinta) |
| Kehittyminen | Kutistuva | Muuttumaton | Laajeneva |
Maailmankaikkeuden vaihtoehtoiset ominaisuudet
Maailmankaikkeuden historia
Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)
Maailmankaikkeus laajenee
- Maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy
- Havaintoaineistona supernovamittaukset (punasiirtymä) ja kosminen mikroaaltotaustasäteily (380 000 vuotta alkuräjähdyksestä)
Absorptiospektri:
Kosminen taustasäteily:
Kuvat: Resonanssi 8 (e-Oppi)
Kuva: ESA and the Planck Collaboration
Pimeä energia
- Energia voi esiintyä fotoneina tai olla sitoutuneena massaan
- Suurin osa (noin 70 %) maailmankaikkeuden energiasta liittyy tuntemattomaan energiamuotoon, pimeään energiaan
- Syy maailmankaikkeuden laajenemiseen?
- Pimeän energian määrä on suoraan verrannollinen maailmankaikkeuden kokoon
- Sen osuus kasvaa maailmankaikkeuden laajentuessa
- Sen osuuden kasvu kiihdyttää laajenemista entisestään
Pimeä aine
- Galaksin kirkkauden perusteella voidaan määrittää, kuinka suuri massa galaksissa on ainetta
- Gravitaation suuruus riippuu kiertoradan ympärillä olevasta massasta
- Kirkkauden ja tähtien liikkeen perusteella määritetyt massat eivät vastaa toisiaan
- Galakseissa on oltava gravitaatiovuorovaikutusta voimistavaa ainetta, pimeää ainetta
-
Pimeä aine ei juurikaan vuorovaikuta sähkömagneettisen säteilyn kanssa
- Neutriinoja?
- Uusia hiukkasia?
- WIMP?
- MACHO?
Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)
Kuva: ESA
Fyysikoilta 95 % universumista hukassa
Nykykäsitys maailmankaikkeudesta
| Koko | 93 miljardia valovuotta (havaittava maailmankaikkeus) | Ääretön | |
| Kaarevuus | Nolla (tasainen) | ||
| Kehittyminen | Laajeneva |
Puutteita fysiikan nykykäsityksessä
- Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäminen (kvanttigravitaatio)
- Tunnetuimpia yrityksiä erilaiset säieteoriat
- Standardimallin paikkansapitämättömyys erittäin suurilla energioilla
- Miksi heikko vuorovaikutus ei etene rajattomasti kuten sähkömagneettinen vuorovaikutus?
- Pimeän aineen ja energian olemus?
- Onko olemassa supersymmetrisiä hiukkasia (esim. skvarkkeja)?
Gravitaatioaallot
- Uusi keino saada tietoa maailmankaikkeudesta
- Yksi yleisen suhteellisuusteorian ennusteista
- Einstein ennusti vuonna 1916, vahvistettiin 2016
- Tiheät massakeskittymät kaareuttavat aika-avaruutta voimakkaasti
- Kaarevuus voimistuu lähellä massakeskittymää
- Massakeskittymän liikkeen aiheuttama muutos etenee ympäröivään aika-avaruuteen aaltomaisesti
- Syntyy mustien aukkojen tai neutronitähtien törmäyksissä
- Voidaan havaita siten, että gravitaatioaallon kulkiessa mittausaseman läpi, aseman pituus muuttuu hetkellisesti
The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)
Kuva: MIT