نگاهی به روش های علم سن سنجی
بحث سن و سال یکی از مباحث پر چالش است. سن سنجی در دنیای زیست شناسی چطور اتفاق می افتد؟ ما می دانیم ساده ترین روش سن سنجی شمردن حلقه های روی تنه درخت است. آیا روش های دیگری برای سن سنجی وجود دارد؟
خسروی- زمانی که ما سنگواره دایناسور را می یابیم می خواهیم بدانیم زمانی که این دایناسور مرده است چند سال داشته است؟ یکی از راه هایی که برای تخمین سن این حیوان در هنگام مرگ وجود دارد این است که دقیقا مثل درخت ها، حلقه های رشدی را که در استخوانش وجود دارد بشماریم. در گذشته تصور می شد که این حلقه های رشد فقط به موجودات خونسرد مثل مارمولک ها مربوط می شود. این بدان معناست که اگر اینها حلقه رشد دارند به این معناست که متابولیسم ثابتی همانند حیوانات خونگرم ندارند. اما در سال 2012 پژوهش های بسیار جدی در مورد فیزیولوژی پستانداران انجام شد که بر اساس آن مشخص شد با وجود اینکه پستانداران خونگرم محسوب می شوند اما حلقه های رشد دارند، به خصوص در پستاندارانی که در هوای بسیار سرد زندگی می کنند و یا به طور کلی در پستانداران زوج سم، از قبیل گاو و شتر و اسب آبی و غیره این حلقه های رشد درآنها هم دیده می شود. زیرا در یک فرآیند شبیه به خواب زمستانی این اتفاق رخ می دهد و در شرایط سردسیر و یا گرمسیر هم فرقی نمی کند حتی آنهایی که در مناطق گرمسیری مثل خط استوا زندگی می کنند بازهم حلقه های رشد دارند.
آیا بروی فسیل دایناسور برش مقطعی می زنید؟
خسروی- به دلیل اینکه بافت استخوان دائما بازسازی می شود یعنی یاخته هایی وجود دارد که به طور مدام یاخته های استخوانی را می خورند و دوباره یاخته های استخوانی بازسازی می شوند و حتی شکل استخوان ها در طی رشد تغییر می کند. بنابراین، برش مقطعی باید زده شود در تمام مقطع استخوان نباید برش زده شود. حدودا در جایی نزدیک به لبه های استخوان می توانیم نوع خاصی از بافت استخوانی را بیاییم که در آنجا حلقه های رشد مشاهده می شود.
حلقه های رشد دقیقا کدام قسمت قرار دارند؟
خسروی- در نزدیکی قشر خارجی استخوان قرار دارند و در آنجا با استفاده از میکروسکوپ می توانیم حلقه های رشد را مشاهده کنیم. اما موضوع مورد بحث ما این است که سن سنگواره ای را که یافته ایم را چگونه بسنجیم ؟ یعنی ما از کجا می دانیم که تروداکتیل در زمان مرگ خود چه سنی داشته است؟
تروداکتیل دایناسور پرنده است؟
خسروی- خیر دایناسور نیست همان طور که خفاش، خفاش است و پرنده نیست اینها هم از دایناسورها جدا هستند.
همزمان با دایناسورها می زیستند؟
خسروی – بله همزمان با دایناسورها می زیستند.
صارمی فر – اینها پرواز می کنند؟
خسروی- بله، پرواز می کردند اما با پرندگان خویشی نزدیک ندارند.
سن برای شما چه معنی دارد؟
صارمی فر– به معنی گذشت زمان است در حقیقت معیاری است که برای اینکه بتوانیم فعالیتی را که انجام می دهیم، بسنجیم.
شما از پنجره فیزیک نگاه می کنید و احتمالا انسان از پنجره زیست شناسی می نگرد.
خسروی- زیست شناسی هم شکلی از فیزیک ماده سخت محسوب می شود.
صارمی فر- تغییرات باید در مخرج زمان سنجیده شود. زمانی که از مکانی به مکان دیگر می روید این تغییر و یا هر نوع تغییر دیگر در یک بازه زمانی رخ می دهد و معیاری است برای اینکه ما بدانیم این تغییرات چگونه رخ داده اند و از روی آن کمیت هایی شبیه به سرعت را هم تعریف می کنیم، اینکه آیا زمان یک مفهوم مطلق است یا خیر؟ مساله ای است که ما هنوز جواب آن را نمی دانیم اگر مدل های فعلی عالم را دنبال کنیم به نقطه تکینگی خواهیم رسید و راجع به پیش از آن نمی توانیم صحبت کنیم ولی می دانیم از نقطه تکینگی به بعد شواهد موجود است و کاملا مطمئن هستیم و بر این مبنا حدود 13 میلیارد سال از عمر انسان گذشته است.
از عمر کیهان ما 13 میلیارد و خورده ای گذشته است؟
صارمی فر- بله. این را با بررسی باقی مانده از روزهای اولیه کیهان متوجه می شویم.
مگر ما می توانیم آن روزها را ببینیم؟
صارمی فر- آن روزها را می توانیم ببینیم یا حتی بسیاری از ما آن را در برفک تلویزیون خود دیده ایم که به آن تابش زمینه کیهانی می گویند.
برفک تلوزیون چیست؟
صارمی فر- زمانی که تلوزیون هایHD نبود و در تلوزیون ها CRT های وجود داشت، زمانی که هیچ کانالی را نمی گرفت برفک نشان می داد.
آن برفک چیست؟
صارمی فر- مجموعه ای از امواج مغناطیسی که در هوا پخش است و یک موج الکترومغناطیسی هم وجود دارد که به آن تابش زمینه کیهانی می گویند و باقی مانده از روزهای اولیه عالم است روزهایی که عالم شفاف بود. 300 هزار سال بعد از انفجار بزرگ و ما امروزه می توانیم شاهد آن باشیم و با بررسی خواص آن متوجه شویم که عالم ما به چه اندازه ای است و چقدر از عمر آن گذشته است.
موضوع جالبی است یعنی ما می توانیم تابش زمینی کیهانی را در برفک ببینیم؟
صارمی فر- تابش زمینی کیهانی تابشی با طول موج 2.7 کلوین است شاید مخاطبین تعجب کنند که صحبت از طول می کنیم اما از واحد دما استفاده می کنیم اما تمام اینها به صورت خطی رابطه ی مستقیم دارند و یا قابل تبدیل هستند.
می توان موج را به دما تبدیل کرد؟ یا دما موج است؟
صارمی فر – می توان بر مبنای طول موج صحبت کرد.
خسروی- الکترون ها بر انگیخته می شوند و انرژی آنها به صورت نور ساطع می شود.
صارمی فر- بله دقیقا .این اتفاق در انفجار بزرگ در بازه زمانی بعد از این که عالم شفاف شده است اتفاق افتاده است و باعث شده که تابشی در عالم وجود داشته باشد که تقریبا به مساوی در همه جا به صورت همسان گر در حال پخش است و ما با اندازه گیری و بررسی آن می توانیم سن عالم را بسنجیم.
شفاف شدن عالم به چه معناست؟
صارمی فر- از لحظه های اولیه بعد از انفجار بزرگ تا 300 هزار سال پس از آن را شامل می شود و در حقیقت الکترون ها و پروتون ها از یکدیگر جدا بودند هنگامی که فوتون ها با الکترون ها برخورد می کردند و به این صورت نور رد نمی شد و هر فوتون با الکترونی برخورد می کرد.
فوتون تولید شده بود؟
صارمی فر- بله ولی به دلیل اینکه عالم آرام آرام بزرگ و سردتر و سردتر می شود به زمانی می رسیم که نور فوتون ها با الکترون ها برخورد نمی کردند. به اصطلاح می گویند عالم شفاف شده است و نور از آن لحظه به بعد در عالم وجود دارد.
می توانید به صورت مختصر بگویید فوتون چگونه شکل می گیرد؟
صارمی فر- فوتون ذره بنیادی است و نمی دانیم چگونه شکل می گیرد. از معادلاتی که امروزه در مدل استاندارد ذرات بنیادی وجود دارد می دانیم که در زمره یکی از ثوابت نظری است یعنی ما به طور دستی این را وارد نظریه کرده ایم. یکی از بدی های مدل استاندارد ذرات بنیادی این است که پارامترهای دستی وارد شده به آن بسیار زیاد است.
یعنی ما هیچ مشاهده قطعی نسبت به آن نداشته ایم؟
صارمی فر- فوتون در اطراف ما وجود دارد.
نوری که در اینجا وجود دارد شامل فوتون ها می شود؟
صارمی فر- بله.
در خورشید فوتون تولید می شود و بعد شما می گویید نمی دانیم منبع آن چطور شکل می گیرد؟
صارمی فر– خیر، ویژگی های فوتون را عرض کردم که فوتون چیست؟ فوتون یک ذره ی بنیادی است و ما پروسه آن را می دانیم که چه اتفاقی رخ می دهد. فوتون واحد اندازه گیری انرژی است در حقیقت فوتون بسته های انرژی است که به اصطلاح به آن بسته های نور می گویند و حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند. به این معنی که بین ذراتی که بار مثبت و منفی دارند نیرویی به اسم نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد که اگر حرکت کنند شاهد نیروی مغناطیسی خواهیم بود و اگر در جای خود ثابت باشند نیروی الکترواستاتیک را حس می کنیم و اگر متحرک باشند شاهد ترکیبی از این دو خواهیم بود و این نیرو با مبادله فوتون بین اینها جا به جا می شود. فوتون ذره بنیادی است که حامل نیروی الکترو مغناطیس است.
بعد از دستیابی و ارزیابی فوتون به سن سنجی دست می یابیم؟
صارمی فر- مشخصه های فوتون ها را بررسی می کنیم و با توجه به فرکانس آن به اطلاعات خوبی دست می یابیم با توجه به انتظار عمومی که داریم مبتنی بر اینکه فیزیک در همه جای عالم یکسان باشد. انتظار می رود نور فوتونی که از حدودا 13 میلیارد سال پیش شروع شده است و از همه سمت عالم می آید بر تمام فوتون ها یک فرآیند حاکم است و با مقایسه تغییرات آن می توانیم ترسیم کنیم که عالم ما چگونه تکوین پیدا کرده است.
زمانی که با آقای صارمی فر راجع به سن صحبت می کنیم به 13 میلیارد سال قبل می رسیم در بحث زیست شناسی به چه سالی بازمی گردیم؟
خسروی- حداکثر سن فسیل ها به 4 میلیارد سال قبل بازمی گردد که سن بسیار زیادی است. اگر سنگواره دایناسورها را بررسی کنیم حداکثر به 200 میلیون سال سن دست می یابیم.
یعنی منظورتان 4 میلیارد سال عمر کره زمین است؟
خسروی- تقریبا عمر کره زمین 4.6 میلیارد سال است اما قدیمی ترین سنگواره ها بیشتر از 4 میلیارد سال عمر ندارند البته در برخی از صخره های 4.2 میلیارد ساله، بقایایی از گرافیت کشف شده است که تصور می شود این گرافیت ها هم منشاء زیستی داشته است اما اینکه دقیقا قطعه ای از موجود زنده ای مثل یاخته و یا غشای یاخته ای را درون سنگی مشاهده کنیم که به جا مانده است در چنین صخره هایی که سن زیادی دارند بسیار نادر است.
آقای خسروی گفتند 4.5 میلیارد سال از عمر کره زمین می گذرد ما چطور متوجه سن کره زمین شده ایم؟
صارمی فر- توسط اندازه گیری نسبت عناصری که در کره زمین موجود است، ما فرآیندهای حاکم در داخل ستاره ها را می بینیم و نیز مشاهده می کنیم که اگر جرم ستاره ها با هم متفاوت باشد چه اتفاقی رخ می دهد. برخی از ستاره ها اگر جرمشان از حد مشخصی بیشتر شود دچار فروریزش گرانشی می شود و اتفاقی رخ می دهد که به آن ابرمواختر می گویند. آنها به قدری انرژی دارند که می توانند اتم ها و عناصری را ایجاد کنند عناصری که سنگین تر از آهن است که در ستاره های معمولی ایجاد نمی شود.
در ستاره های معمولی همچون خورشید عناصر سنگین تا عنصر آهن تولید می شود اما در طبیعت تا عنصر اورانیوم موجود است عدد اتمی آهن 56 و اورانیوم 92 است و بقیه آن در کارخانه ابرمواخترها تولید می شود. ما می دانیم که قبل از اینکه خورشید به وجود بیاید در جایی که ما هستیم ابرمواختری ترکیده است و از بقایای آن و گرد و خاکی به پاشده و با جمع شدن آنها خورشید شکل گرفته است. در این بین عناصر سنگینی به وجود می آید که برخی از آنها به صورت پایدار در طبیعت وجود دارند اما برخی از آنها پایدار نیستند. عددی به نام نرخ واپاشی یا نیمه عمر وجود دارد و می دانیم که عناصری که در طبیعت وجود دارند به دلیل ویژگی های هسته ای به صورت خود به خود واپاشیده می شوند که نرخ این واپاشی را می دانیم. مثلا 100 عدد از ذرهa داریم بعد از 50 سال این 100 عدد 50 عدد می شود در این صورت نیمه عمر آن 50 است و حالا 100 عدد ذرهb داریم که بعد از 20 سال تعداد آن 50 عدد می شود و نیمه عمر این ذره 20 سال است .با اندازه گیری غلظت این مواد و با دانستن آهنگ واپاشی آنها می توانیم حدس بزنیم که سوپرنوا یا ابرمواخترها چه زمانی منفجر شده اند.
مدام از ابرمواختر سخن می آید راجع به زمین هم توضیح دهید.
صارمی فر- زمین منفجر شده و گرد و خاک فراوانی ایجاد کرده است و چون این گرد و خاک ها متقارن پخش نشده اند و نقاطی سنگین تر شده بود، گرانش باعث شد تا این گرد و خاک حول آن جمع شود. این در طول یک فرآیند حدود 6 میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است و حدود 1 الی 2 میلیارد سال طول کشیده تا این گرد و خاک ها بنشیند و جمع شود تا ما شاهد سیارات باشیم.
حتی در کمربند کویپر(فراتر از مدار پلوتون) بقایای آن انفجار وجود دارد و اگر ماهواره نیوهورایزنز و یا ماهواره هایی که به فضا ارسال می شود تا کوه های یخی فراتر از پلوت را بررسی کنند (گاهی اوقات به اسم دنباله دار وارد نواحی داخلی منظومه شمسی می شوند) را مطالعه کنیم ادعا خواهیم کرد که مواد باستانی باقی مانده از انفجار ابرمواختر را بررسی می کنیم.
داده های بسیار گران بهایی از شروع شکل گیری زمین یعنی تا قبل از این 4.5 میلیارد سال وجود دارد. اینکه آیا آجرهای اولیه شکل گیری حیات در تمام کیهان پراکنده اند و یا داخل زمین شکل گرفته اند؟ این همان 2 میلیارد سالی است که آقای خسروی اشاره کردند.
به عبارتی سن زمین را از روی سن خورشید متوجه می شویم؟
صارمی فر- از روی درصد این عناصر متوجه می شویم.
خسروی- از روی عنصرهایی که درون زمین است متوجه می شویم و به طور کلی همه چیز تسلیم فیزیک است در سال1945 اروین شرودینگر زیست شناسی را تحویل علم فیزیک داد. تمام فرآیند هایی که ما در زیست شناسی مطالعه می کنیم به نظریه ترمودینامیک قابل تحویل هستند.
صارمی فر- منظور عرفان از فیزیک این است که می شود با زبان ریاضی اینها را به خوبی بیان کرد.
خسروی- بله و البته نظریه های فیزیکی همه جا به ما کمک می کند.
کربن 14 واژه کلیدی برای سن سنجی است. در حقیقت کربن 14 چیست؟
زمانی که می خواهیم یک سنگواره را سن سنجی کنیم همان کاری را با این سنگواره انجام می دهیم که با صخره های اطراف و با سیاره زمین انجام می دهیم یعنی عنصرهایی که قرار است واپاشی داشته باشند و نیمه عمر کوتاهی دارند را بررسی می کنیم. کربن 14 درون بافت های موجودات زنده جریان دارد.
جریان داشتن کربن 14 به چه معناست؟
خسروی – قند و غذایی که می خوریم حاوی کربن است و همین طور با مصرف مواد مغذی دیگری انواع عنصرهای مختلف وارد بدن می شود ممکن است حتی عنصرهایی که نیاز نداریم هم ناخواسته وارد بدن ما شوند و تا زمانی که ما زنده هستیم نسبت این عنصرها با مقداری که در طبیعت وجود دارد قابل مقایسه است زیرا که در بدن ما جریان دارد اما زمانی که موجود زنده ای می میرد این جریان متوقف می شود و آن مقداری که وجود دارد ثابت باقی خواهد ماند اما بعد از آن که جریان عنصرها متوقف شد بعضی از آنها با همان نسبتی که در طبیعت وجود دارد باقی خواهد ماند. اما عنصرهایی که نیمه عمر کوتاه تری دارند شروع به واپاشی می کنند و نسبت اینها در آن صخره و یا سنگواره کاهش می یابد. زمانی که جریان عناصر نسبت به محیط متوقف می شود نسبت این عنصرها تغییر می کند زیرا می دانیم که نیمه عمر هر کدام از این عناصر چه قدر است یعنی در چه بازه زمانی نیمی از این اتم ها متلاشی می شوند و از سوی دیگر نسبت اینها را در طبیعت می دانیم و با شمردن نسبت عنصرهایی که نیمه عمر کوتاه دارند در بدن آن سنگواره یا در صخره مورد نظر میتوانیم حدس بزنیم که در چه زمانی این جریان متوقف شده است؛ یعنی از زمانی که این موجود مرده است چقدر می گذرد. اگر بخواهیم یک شی باستانی را مورد بررسی قرار دهیم که عمر آن در حد چند هزار سال و کمتر از 50 هزار سال باشد کاری است که مربوط به باستان شناسان است. آنها به سراغ عنصری می روند که نیمه عمر آن در یک بازه زمانی بسیار کوتاه تر از 50 هزار سال تعریف شود. مثل کربن، کربن 14 به دلیل نیمه عمر بسیار کوتاهی که دارد در اشیاء باستانی کاربرد فراوانی دارد اما برای سنگواره ها کاربرد چندانی ندارد. البته زمانی که با یک سنگواره دایناسور روبرو هستیم باید به سراغ عنصرهایی که نیمه عمرشان در حد چند میلیون سال است برویم تا در بازه 100 میلیون سال بتوانیم تعداد نیمه عمرهایی را که از متلاشی شدن اینها گذشته تشخیص دهیم.
سن فسیل را چگونه می سنجید؟
خسروی- زمانی که سنگواره در حال تشکیل شدن بوده است تعدادی از ایزوتوپ های رادیواکتیو و تعدادی از ایزوتوپ های پایدار وجود داشته است. امکان دارد هر عنصری ایزتوپ های داشته باشد که رادیو اکتیو باشند و دچار واپاشی شوند و بعضی از ایزوتوپ های آن دچار واپاشی نشوند.
صارمی فر- اگر خاطرتان باشد گفتم 100 عدد از یک عنصر داریم و بعد از 20 سال 50 عدد می شود و نیمه عمر آن 20 سال است و حالا اگر به سراغ استخری برویم و مواد داخل آن نسبت به طبیعت 50 درصد باشد متوجه می شویم که 20 سال پیش شکل گرفته است که آن 100 عدد، تبدیل به 50 شده است.
لطفا واضح و شفاف به ما بگویید عمر این خودکار را چگونه می سنجند؟
خسروی- زمانی که این خودکار درحال ساخت بوده است و جریان کربن در آن وجود داشته است به تعداد مشخصی از اتم های کربن 14 و کربن 12 در آن وجود داشته است.
کربن 12 و کربن 14 چیست؟
خسروی- اینها ایزوتوپ های عنصر کربن هستند و تعداد پروتون ها ی آنها باهم برابر است اما تعداد نوترون های آنها متفاوت است. کربن 14 دو نوترون بیشتر دارد و همان 2 نوترون باعث می شود هسته اتم کربن 14 ناپایدار باشد. می دانیم که کربن 14 با یک نرخ مشخصی دچار واپاشی می شود یعنی اگر 1000 عدد کربن 14 داشته باشیم بعد از 5700 سال 500 عدد از آن را خواهیم داشت.
صارمی فر- اگر کربن 14 نمونه ما نصف شده باشد متوجه خواهیم شد که آن در 5700 سال پیش زندگی می کرده است .
خسروی- اگر تعداد کربن ها یک چهارم شده باشد متوجه می شویم که 11400 سال قبل می زیسته است.
این روشی است که با نگاه به ایزوتوپ های درون یک سنگواره متوجه می شوید که سن آن چقدر است؟
خسروی- بله، به دلیل اینکه نیمه عمر کربن بسیار کم است بنابرین اگر سن چیزی بیشتر از 50 هزار سال باشد دیگر نتیجه بخش نخواهد بود. یعنی اگر 10 بار از تعداد این اتم ها کاسته شود یعنی به 1024 مقدار اولیه برسد دیگر قابل سنجش نخواهد بود بنابراین در مورد اشیایی که سنشان بیشتر از 50 هزار سال باشد نمی توانیم از این روش استفاده کنیم. مثلا ما راجع به سنگواره کرگدنی در حال پژوهش هستیم که احتمالا سن آن 300 هزار سال است و برای سن سنجی نمی توانیم از کربن 14 استفاده کنیم.
صارمی فر- در این شرایط از تبدیل پتاسیم به آرگون استفاده می شود. کربن14 در جو تولید می شود یعنی امواجی که از خورشید ساطع می شود (Haight enerji) و به اتم های نیروژن برخورد می کند و آنها را به کربن 14 تبدیل می کند و به طور مداوم در طبیعت تولید می شود و تقریبا به نرخ پایداری رسیده است.
چطور فوتونی که از 13 میلیارد سال پیش به ما رسیده است سن سنجی می کنید؟
صارمی فر- سن فوتون را اندازه گیری نمی کنیم پیش بینی می کنیم که اگر فلان تئوری اتفاق افتاده باشد، مثلا اگر انفجار بزرگ اتفاق افتاده باشد باید آثاری دیده باشیم آثاری مثل شکار فوتون هایی با طول موج 2.7 کلوین را دیده باشیم.
همین این اتفاق رخ داده است یعنی ما در این حالت آنتن وصل کرده ایم و حدود 3 الی 4 کلوین حساب کردند و می توان گفت دمای متوسط عالم اینقدر است و بعدا پنزیاس و ویلسون در دهه 60 آنتنی ساختند. آنها به دنبال آدم فضایی بودند و متوجه خش خش هایی شدند و بعد متوجه شدند این همان فوتونی است که آثار ناشی از بعد از شفاف شدن عالم و بعد از انفجار بزرگ را با خود دارد و مهم ترین ویژگی آن این است که در همه عالم و همه جهات به طور همسان گر در حال رسیدن به ماست.
No tags for this post.
