Fysiikka 1 – luku 5: Maailmankaikkeus

 

5.1 Perusvuorovaikutukset

Kaikki maailmankaikkeudessa havaitut fysikaaliset vuorovaikutukset voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Ne ovat gravitaatiovuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Etävuorovaikutuksessa kumpikin osapuoli synnyttää ympärilleen kentän, jonka vaikutuksen toinen osapuolista tunnistaa. Kullakin perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa, joita vuorovaikutuksen osapuolet luovuttavat ja ottavat vastaan. Välittäjähiukkaset siirtävät mm. energiaa hiukkasten välillä.

Perusvuorovaikutus	Missä vaikuttaa	Vuorovaikutuksen luonne
gravitaatiovuorovaikutus	kaikkien kappaleiden välillä	aina vetävä
sähkömagneettinen vuorovaikutus	kaikkien sähköisten kappaleiden välillä	vetävä tai hylkiväa
vahva vuorovaikutus	atomin ytimessä, kvarkkien välillä	yleensä vetävä, pitää atomin ytimen koossa
heikko vuorovaikutus	kaikkien alkeishiukkasten välillä	aiheuttaa mm. radioaktiivisia beetahajoamisia

                                                                                                         

Gravitaatiovuorovaikutus

Gravitaatiovoima on kappaleiden välinen vetovoima. Sen suuruus riippuu kappaleiden massoista ja keskipisteiden välisestä etäisyydestä. Satelliitit pysyvät ympyräradoillaan gravitaatiovuorovaikutuksen vuoksi. Gravitaatio vaikuttaa kaikkien kappaleiden välillä ja sen voima heikkenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Gravitaation välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä havaittu.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheutuu kappaleiden sähkövarauksista ja kappaleiden magneettisista ominaisuuksista. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Kaikkien sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä on sähköinen vuorovaikutus. Sähkövaraus voi olla negatiivinen tai positiivinen. Varautuneen kappaleen ympärillä on sähkökenttä. Sähköinen voima voi olla hylkimisvoima tai vetovoima. Matkapuhelimen puhelu välittyy soittajan puhelimen antennista tukiasemien välityksellä vastaanottajan puhelimen antenniin sähkömagneettisen kentän avulla.

Magneeteilla on aina kaksi kohtiota, pohjois- ja. Magneetin ympärillä on magneettikenttä. Magneettien välillä on magneettinen vuorovaikutus, joka on vetävä tai hylkivä. Maapallon ympärillä on magneettikenttä, mikä aiheutuu maapallon nestemäisessä ytimessä olevista sähkövirroista. Magneettikenttä suojaa Maata avaruuden kosmisen säteilyn ja aurinkotuulen sisältämiltä varauksisilta hiukkasilta, koska magneettikenttä muuttaa varauksisten hiukkasten kulkusuuntaa.

Kun aurinkotuulen hiukkaset törmäävät ilmakehän happi- ja typpimolekyyleihin, happi- ja typpiatomit virittyvät. Viritystilojen purkautuessa syntyy säteilyä, josta osa näkyy taivaalla loimottavina revontulina.

Vahva vuorovaikutus

Atomiytimet pysyvät koossa vahvan vuorovaikutuksen ansiosta. Vahva vuorovaikutus on protonin ja neutronin rakenneosasten eli kvarkkien välinen vuorovaikutus, jonka välittäjähiukkanen on gluoni. Atomin ydin koostuu neutroneista ja protoneista. Koska sähköinen vuorovaikutus aiheuttaa samanvarauksisten protonien välille poistovoiman, on oltava olemassa toinen sitä voimakkaampi vuorovaikutus, joka pitää ytimen koossa. Kvarkkien välinen vahva vuorovaikutus aiheuttaa protonien ja neutronien välille hieman heikomman jäännösvoiman, ydinvoiman, joka sitoo protonit ja neutronit toisiinsa ytimeksi. Ydinvoiman kantama on lyhyt.

Heikko vuorovaikutus

                                                                                                    

Heikko vuorovaikutus aiheuttaa protonien ja neutronien muuttumisen toisikseen, ja samalla ydin säteilee beetahiukkasen eli elektronin tai positronin. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on välibosoni. Osa atomiytimistä on radioaktiivisia ja beetahajoaminen on yksi radioaktiivisuuden laji.

5.2 Makro- ja mikrokosmos

Valtaosa maailmankaikkeuden tunnetusta aineesta on keskittynyt tähtiin. Suurin osa maailmankaikkeuden tunnetusta aineesta on vetyä (73 %), heliumia 25 % ja loput muita alkuaineita. Makrokosmoksessa gravitaatiovoima sitoo yhteen kaikkea maailmankaikkeuden ainetta. Maailmankaikkeudesta saadaan eniten tietoa säteilyn avulla. Ultraviolettikuvista saadaan selville, missä on nuoria tähtiä. Röntgenkuvista saadaan tietoa galaksin räjähtävistä tähdistä ja mustista ukoista. Myös infrapunakuvien avulla saadaan tietoa galakseista.

Aurinkokunta

Auringon energia on lähtöisin fuusioreaktioista. Näissä reaktioissa korkeassa kuumuudessa ja paineessa vety-ytimet liittyvät yhteen muodostaen heliumia ja samalla vapautuu energiaa säteilynä. Protuberanssi tarkoittaa Auringon plasmapurkausta. Auringonpilkut ovat Auringon pinnassa olevia tummia alueita, mitkä aiheutuvat voimakkaista paikallisista magneettikentistä. Kentät estävät kuuman aineen nousemisen Auringon pinnalle. Sen takia Auringon pinta on sillä kohtaa kylmempi kuin muualla.

Energian lisäksi Auringosta virtaa avaruuteen myös hiukkasia. Tätä virtaa kutsutaan aurinkotuuleksi. Aurinkotuulen aiheuttamat magneettiset myrskyt eli Maan magneettikentän häiriöt haittaavat tietoliikenne- ja satelliittiyhteyksiä Maassa. Sähkönsiirtojohtoihin syntyvät häiriöt saattavat pahimmillaan johtaa laajoihin sähkökatkoksiin.

1 AU = 149,6 miljoonaa kilometriä. AU tarkoittaa Maan ja Auringon välistä keskietäisyyttä.

Linnunrata

Linnunrata on sauvaspiraaligalaksi. Valtaosa Linnunradan tähdistä on kaksoistähtiä, joissa kaksi lähekkäistä tähteä kiertää toisiaan gravitaatiovuorovaikutuksen seurauksena. Linnunradan keskuksessa on musta aukko, jonka massa on noin kolme miljoonaa kertaa Auringon massa. Auringon lähin naapuritähti Proxima Centauri on noin 4,2 valovuoden etäisyydellä.

Galaksit

Gravitaatio määrää galaksien rakenteet ja hallitsee galaksien ja taivaankappaleiden liikkeitä. Galaksit voivat olla ellipsin muotoisia, epäsäännöllisiä, kiekkomaisia tai kierteisiä. Kaikkien galaksien keskellä on tähtien tihentymä ja yksi tai useampi musta aukko. Tähdet ovat hehkuvia kaasupalloja. Ne koostuvat enimmäkseen vedystä ja heliumista. Tähdet tuottavat itse säteilemänsä valon fuusioreaktioilla.

Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja kutsutaan eksoplaneetoiksi. Kvasaarien arvellaan olevan nuorten galaksien ytimiä. Niiden keskiosista vapautuu huomattavasti enemmän säteilyä kuin tavallisista galakseista.

Mikrokosmos

Protonit ja neutronit muodostuvat kvarkeista. Kvarkkilajeja ovat ylöskvarkki (u), alaskvarkki (d), outokvarkki (s), lumokvarkki (c), tosikvarkki (t) ja kauniskvarkki (b). Protoni muodostuu kahdesta u-kvarkista ja yhdestä d-kvarkista (uud). Neutroni puolestaan muodostuu kahdesta d-kvarkista ja yhdestä u-kvarkista (ddu). Muistisääntö: Protuud ja Neddu. Protoneista ja neutroneista käytetään yhteisnimeä nukleoni.

Kvarkkien välinen vahva vuorovaikutus aiheuttaa ydinvoiman, joka sitoo ytimen nukleonit toisiinsa. Heikoissa vuorovaikutuksissa kvarkit voivat muuttua toisikseen. Kun protonin yksi u-kvarkki muuttuu heikon vuorovaikutuksen vuoksi d-kvarkiksi, protoni muuttuu neutroniksi. Muutos voi tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan.

Kaikki näkyvä aine koostuu perushiukkasista, joita ovat kvarkit ja leptonit. Jokaisella perushiukkasella on oma antihiukkasensa, jolla on sama massa mutta vastakkainen varaus kuin hiukkasella itsellään. Kaikki ympärillämme oleva näkyvä aine koostuu u- ja d-kvarkeista ja elektroneista. Kvarkkeja ei ole havaittu vapaana vaan vain erilaisina yhdistelminä. Sen lisäksi että Aurinko säteilee neutriinoja, niitä syntyy myös radioaktiivisissa beetahajoamisissa.

5.3 Maailmankaikkeuden synty ja tulevaisuus

Alkuräjähdys tapahtui noin 13,7 miljardia vuotta sitten. Maailmankaikkeuden laajeneminen tarkoittaa, että joka kohtaan tulee koko ajan lisää tilaa. Maapallo syntyi 4,7 miljardia vuotta sitten.

Tähtien elinkaari                                                    

Maailmankaikkeudessa syntyy jatkuvasti uusia tähtiä. Tähden elinikä riippuu tähden koosta. Suurempi tähti kuluttaa vedyn loppuun nopeammin kuin pienempi. Tähden pääsarjavaihe päättyy, kun vety tähden ytimessä on loppunut. Tällöin tähden säteilypaine laajentaa tähteä, jolloin siitä tulee punainen jättiläinen. Tähden elinkaaren loppuvaiheessa fuusioreaktiot heikkenevät, tähden lämpötila laskee ja tähti alkaa luhistua.

Jos tähden massa on pieni, sen luhistuessa tähden pintakerros leviää avaruuteen. Ydin tiivistyy, tähden ydinreaktiot loppuvat eikä tähti enää tuota energiaa. Siitä tulee hiiltä ja happea sisältävä valkoinen kääpiö.

Jos taas tähden massa on noin kolminkertainen Auringon massaan verrattuna, tähden luhistuessa syntyvät reatktiot saavat aikaan valtaisan räjähdyksen, supernovan. Supernovan kesto on lyhyt, vain muutama päivä. Tämän jälkeen tähden ydin luhistuu nopeasti pyöriväksi neutronitähdeksi. Neutronitähteä sanotaan myös pulsariksi, koska se lähettää säännöllisiä pulsseja radioaaltojen aallonpituusalueella.

Mustan aukon massa ja tiheys ovat niin suuret, että sen vetovoima vangitsee lähes kaiken materian ja energian. Kolmen kelvinin taustasäteily, galaksien loittoneminen ja kevyiden alkuaineiden suhteelliset määrät maailmankaikkeudessa ovat tärkeimmät alkuräjähdysteoriaa tukevat havainnot.

On päätelty, että maailmankaikkeudessa on oltava ainetta, jota emme havaitse. Tätä ainetta nimitetään pimeäksi aineeksi. Pimeä aine vaikuttaa taivaankappaleiden liikkeeseen aiheuttamansa gravitaatiovoiman takia. Pimeää ainetta oletetaan olevan kaikkialla maailmankaikkeudessa.

Pimeällä energialla tarkoitetaan jonkinlaista painovoiman vastavoimaa, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista. Arvellaan, että pimeä energia on avaruuteen sitoutunutta energiaa eli sitä on tasaisesti kaikkialla.