اتم‌ها از کجا آمده‌اند؟

دانستن منشا اتم‌ها یکی از پرسش‌های بنیادین فیزیک است، زیرا هر جسم دارای جرم از اتمها ساخته شده است.

جستجوی پاسخ این پرسش نیاز به دانش فیزیکی عالی دارد و تازه در این حالت، فیزیکدانان تنها می‌توانند حدسهایی درباره آن ارائه کنند.

اتم چیست؟

یک اتم از مرکزی سنگین به نام هسته تشکیل شده که خود از ذراتی به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. یک اتم دارای ذرات سبکتری به نام الکترون است که به دور هسته می گردند. الکترونها دارای یک واحد بار منفی هستند در حالی که پروتونها یک واحد بار مثبت داشته و نوترونها فاقد بار هستند. تعداد پروتونها و الکترونهای یک اتم عادی برابر است بنابراین اتم در حالت عادی فاقد بار است.

[البته این یک مدل برای تشریح ساختار اتم است. اتمها قابل مشاهده مستقیم نیستند زیرا بسیار کوچکند. اما شواهد بیشماری برای معتبر دانستن این مدل وجود دارد. در سالیان اخیر برخی فنون تصویربرداری به تهیه تصویر مستقیم شبکه بلوری فلزات متشکل از اتمهایی که در مکان های ثابت و دقیقی قرار گرفته اند کمک کرده است. به تصویر زیر مراجعه شود – مترجم اصغر ناصری]

 

تصویری که دانشمندان دانشگاه کورنل با استفاده از نوع خاصی تصویربرداری به کمک میکروسکوپ الکترونی از شبکه بلوری مولکول Praseodymium orthoscandate (PrScO₃) با بزرگنمایی 100 میلیون برابر تهیه کرده اند. منبع:

https://www.sciencealert.com/this-stunning-image-is-the-highest-resolution-weve-ever-seen-atoms

هم اکنون بیشتر اتمهای موجود در جهان از دو نوع ساده ترین آنها تشکیل شده اند: هیدروژن که تنها یک پروتون در هسته و یک الکترون در مدار خود دارد و هلیم که دارای دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون است.

نخستین اتمها از کجا آمده اند؟

بیشتر هیدروژن و هلیوم سازنده دنیا حدود 400 هزار سال پس از مهبانگ (Big Bang) بوجود آمده اند، واقعه ای که به باور دانشمندان در 14 میلیارد سال پیش عالم را پدید آورد. در زمان پیدایش اتمهای هیدروژن و هلیوم دنیا 1000 بار کوچکتر از اندازه امروزین خود بود. در آن زمان دمای کلی عالم به میلیاردها درجه سلسیوس بالغ می شد و الکترونها پر انرژی تر از آن بودند که در مدارهایی به دور اتمها مستقر شوند. طی فرایند بازترکیب (recombination) دمای عالم به حدود 2760 درجه سلسیوس افت کرد و آنگاه بیشتر اتمهای هیدروژن و هلیوم شکل گرفتند.

البته هسته های هلیوم و دوتریوم (شکل سنگین تری از هیدروژن که یک پروتون و یک نوترون در هسته خودد دارد) تنها چند دقیقه پس از مهبانگ بوجود آمدند، زمانی که دمای جهان بالای 556 میلیون درجه سلسیوس بود. پروتونها و نوترونها تنها در این دماهای بسیار بالا می توانستند با هم برخورد کرده و تشکیل هسته دهند. دانشمندان بر این باورند که تقریبا تمامی ماده معمولی در جهان از حدود 90 درصد اتمهای هیدروژن و 8 درصد اتمهای هلیوم تشکیل شده است.

اتمهای سنگین تر از کجا آمده اند؟

بنابراین اتمهای هیدروژن و هلیوم در طی مرحله بازترکیب و زمانی بوجود آمدند که دمای پایین تر عالم، امکان قرار گرفتن الکترونها در مدارهای پایدار را فراهم ساخت. اما در روی زمین اتمهای بسیار سنگین تری نیز وجود دارند. اما آنها از کجا آمده اند؟

پاسخ شگفت این است که اتمهای سنگین تر در ستاره ها شکل گرفته اند. برای اینکه اتمهایی با تعداد پروتون و نوترون بسیار بیشتر شکل بگیرند احتیاج به برخوردهایی هست که تنها در مکانهای بسیار داغ جهان می تواند روی دهد. انرژی مورد نیاز برای شکل گرفتن یک هسته سنگین تر باید آنقدر زیاد باشد که بر نیروی رانش الکتریکی بین پروتونهای با بار مثبت غلبه کند. بین پروتونها و نوترونها نوعی جاذبه بسیار قدرتمند نیز وجود دارد که وقتی آنها بسیار به هم نزدیک شدند رخ می نماید. این خاصیت به نیروی قوی موسوم است و فرایند جوش خوردن پروتونها و نوترونها نیز همجوشی یا فیوژن نام دارد. دانشمندان بر این باورند که بیشتر عناصر سنگین تر از کربن تا آهن در ستارگانی سنگین تر از خورشید ما شکل گرفته اند که دمای مرکز آنها می تواند از 556 میلیون درجه سلسیوس فراتر رود، یعنی دمایی که هنگام نوزادی جهان، زمانی که تنها چند دقیقه از عمرش می گذشت وجود داشته است.

اما حتی در ستارگان بسیار داغ، هسته مرکزی ستاره پس از اینکه سوخت هیدروژن آن به پایان رسید فرو ریزش می کند (رمبش گرانشی). در طی انفجار بسیار عظیمی که به دنبال این رمبش می آید، عناصری سنگینتر از آهن نیز ممکن است تشکیل شده و به سوی عرصه کیهان پرتاب شوند.

ستاره شناسان هنوز در جستجوی علت دقیق فرایندهای ستاره ای شگفت آوری هستند که تشکیل اتمهای بزرگتر را امکان پذیر می‌سازند. برای مثال برخورد ستارگان نوترونی می تواند مقادیر سترگی انرژی آزاد سازد و به پیدایش عناصری مانند طلا بیانجامد. برخی از جسیم ترین ستارگان در مسیر تبدیل به سیاهچاله عناصری بسیار سنگین تولید می کنند.

درک نحوه پیدایش اتمها نیاز به دانستن مقداری نسبیت عام و نیز مقداری فیزیک هسته ای، ذره ای و اتمی دارد. در اینجا یکی از رازهای سر به مهر جهان هستی قد علم می کند: چیزهای دیگری در جهان بیکران وجود دارند که بنظر می رسد از اتمهای عادی ساخته نشده اند. این به اصطلاح "ماده تاریک" هنوز یکی از چالش برانگیزترین رازهای علمی است که در برابر ما قرار دارد.

https://www.livescience.com/physics-mathematics/where-do-atoms-come-from-a-physicist-explains

پیری: با گذشت عمر چه اتفاقی برای بدن می افتد؟

پیری فرآیند گذر عمر است. در زیست‌شناسی، پیری به این معنی است که چگونه سلول‌های بدن ما به مرور زمان فرسوده شده یا آسیب می‌بینند. آنها دیگر مانند گذشته کار نمی‌کنند.

برخی از نشانه‌های قابل مشاهده پیری شامل پوست چروکیده؛ موهای خاکستری یا سفید؛ و لکه‌های تیره، به نام لکه‌های پیری، روی دست‌ها و صورت است. اما پیری بر هر قسمت از بدن، از جمله قسمت‌های داخلی که از بیرون نمی‌توانیم ببینیم، تأثیر می‌گذارد. عملکرد اندام‌ها و بافت‌ها، توانایی‌های جسمی و ظرفیت ذهنی، همگی با افزایش سن تغییر می‌کنند.

برخی از محققان می‌گویند که پیری حتی قبل از تولد، زمانی که اولین سلول‌های جنین در رحم تشکیل می‌شوند، شروع می‌شود. در کودکان و افراد جوان، سلول‌های آسیب دیده یا در حال مرگ معمولاً خیلی سریع جایگزین می‌شوند. با این حال، با افزایش سن، بدن آنها زمان بیشتری برای ترمیم یا جایگزینی آن سلول‌های ناکارآمد نیاز دارد. سرعت پیری و نحوه تغییر آن در بدن و مغز می‌تواند از فردی به فرد دیگر بسیار متفاوت باشد.

پنج واقعیت مفید و مختصر در مورد پیری

·       با افزایش سن بعضی از مردان ، ابروهایشان طولانی تر و  پرپشت تر می شوند. مردان مسن نیز ممکن است شروع به رشد موهای بلند روی گوش و در بینی خود کنند. این امر به این دلیل است که هورمونهای خاصی در مردان با افزایش سن افزایش می یابند و رشد غیرمعمول مو را تحریک می کنند.

·       برخی از افراد "ابرجوان" هستند و این بدان معنی است که مغز آنها آهسته تر از حد متوسط پیر می شود. مغز افراد ابرجوان در دهه 80 خود شبیه به افرادی است که ده ها سال جوان تر هستند.

·       تصور می شد که قدیمی ترین فرد جهان ژان کالمنت ، یک زن فرانسوی است که 122 سال و 164 روز زندگی کرد. اما این موضوع مورد مناقشه است ، زیرا برخی فکر می کنند سوابق سنی کالمنت جعلی بوده است.

·       مردم غالباً با پیر شدن "کوچک می شوند". بین سنین 30 تا 70 سال ، طبیعی است که حدود 12 تا 25 سانتی متر ارتفاع از دست بدهند.

·       دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که یک انسان در شرایط ایده آل چه مدت زندگی می کند. برخی می گویند 150 سال عمر محدودیت مطلق است ، در حالی که برخی دیگر فکر می کنند انسان می تواند بیشتر نیز عمر کند.

چه عواملی باعث پیری می شود؟

تمام سلولهای بدن سرانجام تجزیه می شوند و می میرند. با گذشت سالها و دهه ، سلول ها آهسته تر تقسیم شده و کارآمدتر می‌شوند. غشای سلولها سفت می شوند ، که بر جریان مواد مغذی و اکسیژن و همچنین حذف دی اکسید کربن ، یک محصول زائد، تأثیر می‌گذارد. ترمیم قطعات آسیب دیده بدن بیشتر طول می کشد ، و اندام ها به همان اندازه سابق کار نمی کنند.

آنچه ما "پیری" می نامیم بیشتر در اثر آسیب به سلول ها و مولکول ها مانند DNA در بدن به مرور زمان ایجاد می شود.

 

بنا به گفته سازمان جهانی بهداشت جامعه ای که حدود 14 درصد افراد آن بالای 65 سال سن داشته باشند، یک جامعه پیر محسوب می شود. هنگ کنگ با 20 درصد افراد بالای 65 سال یک جامعه ابر پیر است.

برخی از علائم پیری می تواند نحوه نگاه ما را تغییر دهد. غضروف ، ماده انعطاف پذیر که گوش و بینی ما را شکل می دهد ، با افزایش سن ، نرم و نرمتر می شود. این باعث می شود بینی و گوش افراد مسن بزرگتر از افراد جوانتر به نظر برسد. کاهش توده عضلانی و استخوان در بدن های قدیمی تر ، هم قدرت و هم قد را کاهش می دهد.

در مغز پیر ، میلین - ماده ای چرب که الیاف عصبی را در بر می گیرد - از بین می رود. در نتیجه ، ارتباط بین سلولهای مغزی به نام نورونها تجزیه می شود. این امر می تواند بازیابی خاطرات یا ساختن موارد جدید را برای افراد مسن سخت تر کند.

چرا پوست با افزایش سن ، چروکیده می شود؟

با بزرگتر شدن افراد ، یکی از بارزترین تغییرات در پوست آنها روی می دهد. چین و چروک ها به خصوص در اطراف چشم ، دهان و پیشانی رشد کرده و عمیق می شوند. پوست کشیده تر می شود. شروع به چسبیدن و ایجاد چین و چروک می کند ، به خصوص روی صورت ، گردن و بازوها.

پوست قدیمی تر از پوست جوان تر خشک تر است. درمیس یا لایه میانی پوست، نازک تر می شود. در درمیس ، شبکه ای از الیاف باعث می‌شود که پوست جوان کشیده شود ، اما با گذشت زمان ، این شبکه از الیاف شل تر می شود. سطح پوست به اندازه گذشته صاف نیست و چین و شکن هایی شکل می گیرد.

علاوه بر پیری ، عادات خاصی می توانند چین و چروک ها را زودتر یا سریعتر شکل دهند. به عنوان مثال ، آلودگی ، سیگار و سیگارهای الکترونیکی (ویپ ها) حاوی سمومی است که پوست را کم آب می کند و به رگ های خونی که اکسیژن را به سلول های پوستی منتقل می کنند ، آسیب می رسانند. این می تواند منجر به چین و چروک و علائم دیگر پیری در پوست شود.

قرار گرفتن در معرض آفتاب همچنین می تواند پروتئینی به نام کلاژن را در پوست تجزیه کند و باعث ایجاد چین و چروک شود ، به خصوص در افرادی که پوست سبک تری دارند که به راحتی می سوزند. خورشید نوع مضری از تابش به نام نور ماوراء بنفش یا اشعه ماوراء بنفش را آزاد می کند و هنگامی که اشعه ماوراء بنفش باعث می شود پوست سریعتر از آنچه لازم است پیر شود ، به عنوان "پیری تصویری" شناخته می شود.

چرا شنیدن و بینایی با افزایش سن بدتر می شود؟

شنیدن و بینایی طبیعی است که با افزایش سن تا حدودی تغییر کند. ژنتیک ، بیماری و عوامل محیطی می توانند سرعت پیرشدن را افزایش دهند. کاهش چشمگیر یا ناگهانی شنوایی یا بینایی می تواند نشانه ای از یک مشکل جدی تر باشد و باید توسط پزشک معاینه شود.

شایع ترین نوع کاهش شنوایی مربوط به سن ، presbycusis  نامیده می شود. این به تدریج در هر دو گوش اتفاق می افتد و ناشی از آسیب به گوش داخلی است که حاوی سلولهای مهم برای شنوایی است.

در حلزون گوش، - یک ساختار پر شده از سیال در گوش داخلی- موهای ریز به هدایت صدا کمک می کنند. این موها به مرور زمان از  بین می روند. سرانجام ، آنها دیگر بازسازی نمی شوند ، که به نوبه خود ، شنوایی را بدتر می کند. سایش طبیعی و پارگی پرده صماخ گوش یا استخوان های کوچک در گوش میانی می تواند با ایجاد اختلال در هدایت صدا درون حلزون ، شنوایی را بدتر کند. موم گوش نیز با افزایش سن چسبناک تر می شود ، که می تواند کانال گوش را مسدود کرده و شنیدن اصوات را سخت تر کند.

بینایی همچنین با افزایش سن بدتر می شود. چشم ها بعد از 40 سالگی به دلیل تغییر در غده هایی که باعث ایجاد اشک می شوند اشک کمتری ایجاد می کنند. بعلاوه ، عضلات چشم را به طور کامل مانند گذشته نمی چرخانند ، و این باعث کاهش دید پیرامونی افراد می شود (بخشی از بینایی که به شما امکان می دهد طرفین را ببینید).

پدهای چربی که مانند ضربه گیر برای چشم ها عمل می کنند مسطح شده و باعث می شود که چشم ها به داخل فرو روند. مردمکها که برای کنترل میزان ورود نور به چشم، گسترش یا منقبض می شوند، آهسته تر واکنش نشان می دهند. عدسی چشم ، که نور را متمرکز می کند، انعطاف پذیری را از دست می دهند. این می تواند باعث Presbyopia یا مشکل در تمرکز روی اشیاء نزدیک شود. از آنجا که پروتئین های موجود در عدسی چشم در حال تجزیه هستند ، عدسی زرد می شود و ممکن است کدر شود ، وضعیتی که آب مروارید نامیده می شود.

آیا پیری بعد از سن مشخص سرعت می یابد؟

اگرچه پیری در سراسر عمر انسان اتفاق می افتد، سرعت آن متفاوت است. در بعضی مواقع ، به نظر می رسد رشد پیری سرعتی انفجاری می یابد.

در سال 2019 ، دانشمندان با دیدن چگونگی تغییر مواد در خون افراد با افزایش سن ، میزان پیری را ردیابی کردند. محققان نمونه خون را از 4200 نفر در سنین 18 تا 95 سال جمع آوری کردند و سپس از پروتئین های خون برای نقشه برداری از بدنهای در حال پیر شدن استفاده کردند. به طور متوسط ، پیری در سه مقطع مختلف به طور قابل توجهی سرعت یافت: در حدود 34 ، 60 و 78 سالگی.

چند سال بعد ، تیم دیگری از دانشمندان با جستجوی مولکولهای دیگری در بدن انسان ، میزان پیری را ردیابی کردند. آنها همچنین تغییرات در میکروبیوم انسانی را ( جامعه باکتری ها ، قارچ ها و ویروس هایی که در بدن ما ساکن هستند) بررسی کردند. این محققان دریافتند که سرعت پیری در دو بار به اوج رسیده است: حدود 44 سال و حدود 60 سال. تصور می شود این تغییرات بر سلامت کلی تأثیر می گذارد. در هر دو این نقاط عطف ، مولکول های مرتبط با بیماری ناشی از قلب تغییرات قابل توجهی را نشان دادند. وقتی مردم وارد دهه 60 خود می شوند ، تغییر حتی چشمگیرتر است. در حدود 60 سالگی ، سیستم ایمنی بدن به سرعت تضعیف می شود و اثربخشی آن در مبارزه با عفونت و بیماری کمتر می شود.

تحقیقات دیگر نشان داده است که در حدود 60 سالگی ، افراد قدرت و توده عضلانی را از دست می دهند. لوله هایی که خون از طریق آنها حرکت می کند سخت تر شده، و قلب برای پمپاژ خون باید بیشتر کار کند. عضلات قلب تغییر می کند ، و قلب به همان سرعتی که در طول ورزش می زد ضربان نخواهد داشت. این امر، خطر فشار خون بالا را ایجاد می کند که می تواند باعث آسیب و مشکلات سلامتی شود.

آیا راهی برای معکوس یا متوقف کردن پیری وجود دارد؟

همه سلولها پیر شده و می میرند ، و به طور کامل نمی توان از پیری جلوگیری کرده یا آن را متوقف ساخت. اما برخی از جنبه های پیری را می توان کند کرد. برای بسیاری از افراد ، برخی از انتخاب های سبک زندگی به تأخیر یا جلوگیری از برخی از انواع آسیب ها و بیماری های مرتبط با افزایش سن کمک می کند.

ورزشهای هوازی، مانند دویدن و شنا، باعث افزایش سلامتی در سنین بالا می شوند. ورزش چندین بار در هفته ممکن است به جلوگیری از حملات قلبی و سکته مغزی کمک کند. ورزش منظم همچنین می تواند به جلوگیری از دیابت نوع 2 کمک کند ، شرایطی که در آن قند بیش از حد در خون فرد متمرکز می شود. تمرینات قدرتی باعث ایجاد توده عضلانی و کاهش احساس ضعف می شود و ثبات و تعادل را بهبود می بخشد ، همه این موارد می تواند از افت تهدید کننده سلامتی جلوگیری کند. خوردن غذاهای سالم مانند سبزیجات،  غلات کامل و پروتئین های سبک با سلامتی بهتر و افزایش طول عمر مرتبط است.

برخی از مردم بر این باورند که می توانند با ترفندهای مختلف مانند تزریق خون جوانان در رگهای خود، پیری را درمان کنند. با این حال ، هیچگونه شواهد علمی برای پشتیبانی از این ایده وجود ندارد. از سوی دیگر، دانشمندان در حال مطالعه مولکول ها ، داروها و واکسن هایی هستند که می توانند به کند شدن روند پیری یا معکوس شدن برخی از اثرات پیری کمک کنند. اما این ایده ها هنوز در مراحل آزمایشی قرار دارند.

منبع:

https://www.livescience.com/health/ageing/aging-what-happens-to-the-body-as-it-gets-older