پیدایش عناصر شیمیایی (خاستگاه موجودات زنده)

روشن است که یک تکه ذغال، آب و هوا از جمله ی موجودات زنده به شمار نمی آیند. ولی از تمام عناصری که این مواد را ساخته اند تحت شرایط دیگری می تواند موجودی زنده پدید بیاید. کربن یک تکه ذغال، اکسیژن و نیتروژن در هوا و هیدروژن در آب و حتی خود آب از عناصری اند که پایه و اساس موجودات زنده را تشکیل می دهند.

چرا برخی از این عناصر با یکدیگر چنین ترکیب می شود و به عناصر بی جانی تبدیل می شوند و در جای دیگر همین عناصر به موجودی زنده میکروسکوپی مانند باکتری ها تبدیل می شوند. اشیای بی جان مانند سنگ ها در مقابل عوارض طبیعی مانند باد، باران و سرما از خود مقاومتی نشان نمی دهند، اینان هیچگونه خواسته ای هم ندارند.

ولی یک موجود زنده می خواهد همواره زنده بماند و به همین جهت خود را با محیط اش سازگار می کند. از موجودات زنده ی عالی مانند گیاهان و جانوران که بگذریم، حتی تک یاخته ای هایی مانند باکتری ها و ویروس ها نیز برای زنده ماندن همواره شکل و خاصیت خود را تغییر می دهند.

از زمان کشف پنی سیلین تاکنون انواع مختلف داروهای آنتی بیوتیک (پادتن) تولید شده، زیرا باکتری ها خود را با محیط شان سازگار می کنند، بطوری که آنتی بیوتیک های قدیمی بر آن ها تاثیر نمی گذارند. به همین ترتیب، ویروسهایی مانند ویروس ایدز و یا ویروسهای سرماخوردگی مرتبا تغییر شکل می دهند، به همین جهت مبارزه با آن ها بسیار دشوار است. این ناآرامی درونی موجودات زنده و گرایش شدید به زنده ماندن باعث می شود که موجودات زنده به انواع مختلف برای تولید مثل تکاپو کنند تا کاملا از بین نروند و دست کم رونوشت خود را به آیندگان تحویل بدهند.

انرژی لازم برای موجودات زنده برای انجام این تغییرات از کجا سرچشمه می گیرد؟ این سرچشمه را باید در انرژی خورشید جستجو کنیم. انرژی خورشید عمل فتوسنتز در گیاهان را راه می اندازد که به آزاد شدن اکسیژن در جو می انجامد.

بخشی از این اکسیژن در ارتفاعات چند کیلومتری جو بالای زمین بر اثر تابش فرابنفش (UV    ) خورشید به ازن (O3 ) تبدیل می شود.

تشکیل این لایه ازن در جو زمین باعث می شود به نوبه خود مقدار زیادی از پرتو فرابنفش خورشید را که برای جانداران خطرناک است جذب کند. این لایه حفاظتی ازن می تواند مولکول های پیچیده ی جانداران را در مقابل پرتو فرابنفش خورشید محافظت کند.

اما در حدود 4 میلیارد سال قبل وضعیت حیات بر کره ی زمین بر چه منوال بوده است. در آن زمان نه اکسیژنی در جو موجود بوده، نه گیاهی وجود داشته و نه جانوری. تنها موجودات زنده ای که 5/3 میلیارد سال قبل به وجود آمدند، تک یاخته ای ها بودند که احتمالا در قعر اقیانوس ها پا بر عرصه نهادند و از مواد شیمیایی که در آن زمان در اختیارشان بود تغذیه می کردند.

وقتی این مواد شیمیایی به تدریج مصرف شدند، این تک یاخته ای ها دیگر نمی توانستند برای مصرف خود انرژی مورد نیازشان را تامین کنند. در اینجا بود که برای نخستین بار شکل کمبود انرژی بر کره ی زمین رخ نمود.

جهان تا کجا انبساط می یابد؟

آیا جهان مرز دارد؟ شاید، ولی لزومی ندارد. ممکن است که جهان حالتی انبساطی خود را حفظ کند و تمام فضا حالت وسیعتر شدن خود را ادامه بدهد. بدون این که ماهیت محکم و ریشه داری برای میزان بزرگی فضا باشد. جهان در تمام جهات به سوی بی نهایت میل می کند و یا ممکن است از ورای خود بسته شود، مانند نوار لاستیکی با سطح بالن که انحنا دارد.

در هر حالت، انبساط فقط به عنوان تجسمی است که از درون معنی دارد و خارج از آنچه دیده می شود، چیزی وجود ندارد.

امکان دارد جهان مرزی داشته باشد، اما باید دور باشدو در آن سوی قسمتی از جهان که ما می توانیم ببینیم. تاکنون نشانه ای از وجو مرز ندیده ایم یا واقعا هر تبدیل حقیقی از راه اشیا در جهان و پیرامونمان است. اگر انفجار بزرگ مانند منفجر کردن قطعه ای باشد که قطعات آن از یکدیگر دور می شوند، پس آنچه که ما می بینیم، درون انبساط حاصل از انفجار بزرگ نهفته است.

جهانی که می توانیم مشاهده کنیم، مرزی دارد که به علت محدودیت سنی آن، فقط می توانیم فاصله ی معینی از فضا را ببینیم. همچنان که در فضا کنکاش می کنیم، در حال مشاهده ی گذشته ی فضا در طول زمانی هستیم که نور آن فاصله را طی کرده است (دوثانیه تا ماه، حدود هشت دقیقه تا خورشید، سالها یا هزاران سال تا ستاره ای در کهکشان خودمان و حدود دو میلیون سال تا دورترین چیزی که می توانیم بدون تلسکوپ ببینیم فاصله ی زمانی وجود دارد)- (دورترین فاصله برای چشم غیر مسلح، کهکشان آندرومدا است).

بیشترین فاصله ای که با هر ئسیله ای می توانیم بر طبق اصول ارسال نور مشاهده کنیم، نشان می دهد که ما اندکی پس از انفجار بزرگ قرار داریم و این نور بوده که همراه با تاریخ، جهان را پیموده است.

ما هرگز دورتر از این را نمی توانیم ببینیم. یا به بیان دیگر ما برای دیدن مثلا حدود یک سال نوری باید یک سال در انتظار بمانیم. زیرا سن جهان که حدود 12 تا 15 بیلیون سال است، وافعیت انبساط جهان را تایید می کند. بیشترین فاصله ای که در حال حاضر مطابق اصول می توانیم ببینیم، کمتر از حدود 20 تا 30 بیلیون سال نوری است.

در این صورت جهانی که می توانیم ببینیم، مرزی دارد. ولی بیشتر از نوع زمان است تا مکان.

در حال حاضر در عمیق ترین تصاویر، شاهد شکل گیری دقیق تعداد زیادی از نزدیکترین کهکشان ها هستیم. شگفت نگیز این است که در خارج حجمی که می توانیم ببینیم، فضا همچون مکان های دیگر است.

دوگانگی موج- ذره

امواج و ذرات خواص اساسا متفاوتی دارند. ذره محدود (بسته ای از جرم و انرژی) و موج یک حرکت تناوبی است. توپ تنیس روی میز ذره مانند، ولی حرکت پس و پیش سیم های گیتار موج است. انرژی ذره محدود شده، ولی انرژی موج در حرکتی که خود موج را تشکیل می دهد پخش می شود.

توماس یانگ (1829-1773) فیزیکدان و پزشک انگلیسی، نشان داد که هنگامی که آزمایش دو شکاف را انجام می دهد نور موج است. هنگامی که نور از دو شکاف یک دیوار می گذشت و به یک پرده می تابید، به جای دو لکه ای نور، یک رشته نوارهای روشن و تاریک، مطابق شکل صفحه ی بعد، به وجود می آمد.

اگر نور از ذرات تشکیل می شد، ظهور دو لکه انتظار می رفت، ذرات از هر شکاف می گذشتند و دو قسمت جداگانه ی پرده را روشن می کردند. آنچه یانگ به آن پی برد این بود که نورهای گذرنده از شکاف ها پخش می شوند، و همانند امواج، با یکدیگر تداخل می کنند. درجایی که یک اوج (بالاترین نقطه) موج یا حضیض (پایین ترین نقطه) موج دیگری هم ردیف می شود، دو موج یکدیگر را حذف می کنند و یک لکه ی تاریک ظاهر می شود، که این مطلب وجود نوارهای تاریک را توضیح می داد، نور نمی توانست متشکل از ذرات باشد چون راهی وجود ندارد که ذرات بتواندد با هم ترکیب شوند و روشنایی صفر ایجاد کنند. دانشمندان آزمایش یانگ را به عنوان دلیلی برای این در نظر گرفتند که تابش الکترومغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی است.

اما اینشتین می خواست شق دیگری را در نظر بگیرد. او مفهوم فوتون ها را برای تشریح اثر فوتوالکتریکی به کار برد، که در آن فلزات هنگامی که با نور رو به رو می شدند الکترون ها را گسیل می کردند.

اثر فوتوالکتریک این توضیح را نقض می کرد زیرا به نظر نمی رسید فلز هنگامی که الکترون ها را گسیل می کند انرژی موج را جذب می کند. تابش یک نور روشن با بسامد پایین برای مدت زیادی هیچ الکترونی را بیرون نمی راند، ولی هنگامی که بسامد نور از بسامد خاصی بیشتر می شد، فلز بیرون راندن آن ها را آغاز می کرد.

اینشتین نشان داد که فلز بسته های مجزای نور(فوتون ها) را جذب می کند که انرژی آن ها به بسامد بستگی داشت(هر چه بسامد بیشتر بود، انرژی بیشتر بود) این وضع چگونه پیش می آمد؟ او به درستی فرض کرد که تثر فوتوالکتریک هنگامی رخ می دهد که فوتون با انرژی کافی برای آزادسازی یک الکترون به فلز برخورد کند.

فوتون های اینشتین فیزیکدانان را در وضعیت دشواری قرار داد. آیا نور موج است یا ذره؟ نور نمی تواند هر دو باشد، ولی این دقیقا چیزی است که به نظر می رسد باشد، و حتی فوتون ها به نظر می رسد که یک « بسامد » که خاصیتی از موج است، دارد. هنگام انجام دادن آزمایش دوشکاف یانگ با استفاده از منابع ضعیف نور به گونه ای که درهر لحظه فقط یک فوتون بگذرد، پرده لکه هایی از نور را نشان می دهد که نمایشگر وجود فوتون ها هستند، ولی با گذشت زمان الگوهای روشن و تاریک پدیدار می شوند چنانکه گویی فوتون ها با خودشان تداخل می کنند!

چیستی زمان (قسمت دهم)

این فرضیه (مکانیک آماری بولتزمن) ما را به یک مسئله مواجه می کند:
توضیح بولتزمن از رفتار ترمودینامیک فقط براساس مکانیک نیوتونی و کمی ریاضییات است. ولی این توضیح از رفتار ذره ای نسبت به وارونگی زمان نامتغیر است. هیچ چیز در آن چه گفته شد جهت آنچه (( آینده )) می نامیم را نشان نمی دهد.

پارادوکس لوشمیت
در واقع ظاهرا می توانیم استدلال مان را به عقب برگردانیم.
از استدلال به اینجا می رسیم که در یک حالت غیر محتمل در زمان حال (مثلا ظرف گاز را به تازگی باز کرده ایم) حالت های اولیه تر (همانند حالت های بعدتر) حالت های ممکن تری هستند.
با آشنایی از حالت های ممکن با آنتروپی بالا، می فهمیم که بولتزمن در توضیحات خود می گوید که آنتروپی پیش از باز شدن ظرف گاز بالاتر بود.
فرضیه بولتزمن می گوید:
نه نتها آنتروپی به سوی آینده بیشتر می شود، بلکه آنتروپی به سوی گذشته نیز بیشتر می شود!
اگر چنین باشد، پس حرارت باید در جهت گذشته نیز از گرم به سرد برود!
ولی این موضوع خلاف تجربه و آشکارا اشتباه است. حال ما رسما با یک مسئله روبرو شده ایم.
نام آن پارادوکس برگشت پذیری لوشمیت است.
جوزف لوشمیت استاد بولتزمن بوده که اشاره به نتیجه مشابهی با یک از تلاشهای اولیه بولتزمن در توضیح پیکان زمان داشته است.

راجرز پنروز ریاضیدان و فیزیکدان مسئله لوشمیت را چنین مطرح می کند:
مکانیک آماری بولتزمن پیشگویی کرده که آنتروپی در هر دو جهت افزایش می یابد. در حالی که بنابر تجربه فقط در یک جهت افزایش می یابد. (( آن را جهت آینده می نامیم ))
پاسخ بولتزمن شگفت آور و زیرکانه بود:
هرچند انحراف عمده از تعادل بسیار ناممکن می نماید، پس از زمان کافی روی خواهند داد.
در بازی دو جعبه و 20 توپ، ما سرانجام به آرایش (( آنتروپی پایین )) مانند 5 توپ در جعبه A و 15 توپ در جعبه B خواهیم رسید. فقط باید مدت درازی صبر کنیم.
وقتی از تمامی محتوای عالم می گوییم که در آن اعداد بزرگ تر از 20 وجود دارد. باید مدت طولانی تری صبر کنیم.
ولی در یک مدت زمان نامشخص، بالاخره باید منتظر باشیم نواسانات آنتروپی پایین نیز روی دهد.
قشیه تکان دهنده بولتزمن این بود که تمام عالمی که می بینیم صرفا یک انحراف آنتروپی پایین است در جهانی بسیار بسیار پیرتر!
موجودات در این چنین جهانی، در هر سوی منحنی که باشند، تعریف کننده آینده اند و آینده جهت آنتروپی رو به افزایش است.