https://fremont.hostmaster.org/articles/coulomb_water_life/fa.html
اگر یک بادکنک را به موهایتان بمالید و آن را به دیوار بچسبانید، همین حالا یک آزمایش ساده الکترواستاتیک انجام داده‌اید. بادکنک می‌چسبد چون الکترون‌ها جابه‌جا شده‌اند و بارهای مخالف ایجاد کرده‌اند که یکدیگر را جذب می‌کنند. این یک ترفند آشنا در کلاس درس است – یک جرقه کوتاه از الکتریسیته ساکن. با این حال، برهم‌کنش نامرئی پشت آن، نیروی کولن، یکی از اساسی‌ترین و دوربردترین قوانین طبیعت است.
این نیروی واحد، جذب و دافعه بین بارهای الکتریکی، ساختار ماده، شیمی زندگی، پایداری اقیانوس‌ها و حتی طوفان‌هایی که زمین را آبیاری می‌کنند را کنترل می‌کند. از کوچک‌ترین اتم تا بزرگ‌ترین اکوسیستم، همان اصل فیزیکی به آرامی تعیین می‌کند که آیا یک سیاره می‌تواند زنده باشد.
نیروی کولن، به نام فیزیکدان قرن هجدهم شارل-اگوستن دو کولن، ساده برای بیان اما بی‌نهایت قدرتمند است: بارهای مخالف جذب می‌شوند، بارهای هم‌نام دفع می‌شوند، و قدرت جذب با مربع فاصله بین آنها کاهش می‌یابد.
در داخل هر اتم، الکترون‌های منفی بار به سمت هسته‌های مثبت بار توسط این کشش الکترواستاتیک کشیده می‌شوند. مکانیک کوانتومی تعریف می‌کند که این الکترون‌ها چگونه می‌توانند حالات انرژی خاصی را اشغال کنند، اما نیروی کولن چارچوبی را فراهم می‌کند که قوانین کوانتومی در آن عمل می‌کنند. بدون الکترواستاتیک، هیچ اتم پایداری برای ساخت وجود نمی‌داشت.
وقتی اتم‌ها الکترون‌ها را به اشتراک می‌گذارند یا مبادله می‌کنند، پیوندهای شیمیایی تشکیل می‌دهند – یونی، کووالانسی، هیدروژنی، یا برهم‌کنش‌های ضعیف‌تر وان در والس که مولکول‌های بزرگ‌تر را کنار هم نگه می‌دارند. هر پیوند چنینی راه متفاوتی برای تعادل بارهای مثبت و منفی است. در این معنا، تمام شیمی، و بنابراین تمام زیست‌شناسی، الکترواستاتیک در حرکت است.
در میان تمام مولکول‌های روی زمین، آب بالاترین مثال مهندسی الکترواستاتیک است. هر مولکول آب از دو اتم هیدروژن متصل به یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. چون اکسیژن الکترون‌ها را قوی‌تر از هیدروژن جذب می‌کند، بار منفی جزئی دارد، در حالی که هیدروژن‌ها بار مثبت جزئی حمل می‌کنند.
این توزیع ناهموار یک گشتاور دوقطبی دائمی ایجاد می‌کند، که اجازه می‌دهد مولکول‌های آب یکدیگر را از طریق پیوندهای هیدروژنی جذب کنند – پیوندهای الکترواستاتیک جهت‌دار که به اندازه کافی قوی برای نگه داشتن هستند اما به اندازه کافی ضعیف برای شکستن و بازسازی. زیر این پیوندهای جهت‌دار، دریایی از نیروهای وان در والس ظریف وجود دارد، که از نوسانات کوچک در ابرهای الکترونی ایجاد می‌شوند و دوقطبی‌های گذرا القا می‌کنند.
این نیروها با هم چسبندگی استثنایی آب را می‌دهند. مولکولی با اندازه مشابه، مانند سولفید هیدروژن (H₂S)، در حدود –۸۰ درجه سانتی‌گراد می‌جوشد. اما آب، متصل شده توسط نیروی کولن، در محدوده دمایی که زندگی شکوفا می‌شود مایع باقی می‌ماند. رودخانه‌ها، اقیانوس‌ها و سلول‌های زمین وجود خود را به این جذب‌های الکتریکی نامرئی مدیون هستند.
قطبیت آب نه تنها مولکول‌ها را کنار هم نگه می‌دارد؛ بلکه اجازه می‌دهد آنها از هم جدا شوند. انتهای مثبت و منفی مولکول آب یون‌های نمک‌ها و مواد معدنی حل‌شده را احاطه کرده و آنها را به溶液 می‌کشند.
وقتی یک کریستال کلرید سدیم با آب برخورد می‌کند، اتم‌های اکسیژن به سمت یون‌های مثبت سدیم رو می‌کنند، در حالی که هیدروژن‌ها به سمت منفی‌های کلرید می‌چرخند. هر یون در یک پوسته هیدراتاسیون قرار می‌گیرد، پایدار شده توسط جذب‌های کولن کوچک بی‌شمار بین مولکول‌های آب و بار یون.
این خاصیت – توانایی حل کردن – آب را حلال جهانی می‌کند. اجازه گردش مواد مغذی، عملکرد آنزیم‌ها و کارکرد سلول‌ها را می‌دهد. خود متابولیسم به این دیپلماسی مولکولی وابسته است: یون‌ها باید حرکت کنند، واکنش دهند و دوباره ترکیب شوند، همه توسط جذب الکترواستاتیک میانجی‌گری می‌شود. بدون آن، اقیانوس‌ها استخرهای عقیم و بیوشیمی غیرممکن می‌بودند.
همان نیرویی که بادکنک را به دیوار می‌چسباند، اجازه می‌دهد یک قطره آب دریا مواد تشکیل‌دهنده زندگی را نگه دارد.
داستان طبیعت الکترواستاتیک آب به سمت بالا در جو ادامه می‌یابد. یک مولکول آب جرم مولکولی ۱۸ گرم/مول دارد، در حالی که میانگین برای هوای خشک – عمدتاً نیتروژن و اکسیژن – حدود ۲۹ گرم/مول است. این تفاوت کوچک اما مهم، هوای مرطوب را سبک‌تر از هوای خشک می‌کند.
وقتی هوای مرطوب بالا می‌رود، گسترش می‌یابد و خنک می‌شود. وقتی به اندازه کافی خنک شود، بخار آب به قطرات متراکم می‌شود و ابرها تشکیل می‌دهد. این تراکم گرمای نهان آزاد می‌کند – انرژی الکترواستاتیک ذخیره‌شده از شکستن پیوندهای هیدروژنی – که هوا را گرم‌تر و شناورتر می‌کند.
این فرآیند خودتقویت‌کننده همرفت، طوفان‌های رعد و برق و چرخه جهانی آب را هدایت می‌کند. گرما را از استوا به قطب‌ها منتقل می‌کند و آب شیرین را به قاره‌ها بازمی‌گرداند. بدون جرم مولکولی سبک آب، گرمای تبخیر بالا و پیوندهای هیدروژنی چسبنده – همه محصولات نیروی کولن – ابرها، باران و سیاره زنده‌ای که مدام توسط طوفان‌ها تجدید می‌شود وجود نداشت.
شخصیت الکترواستاتیک آب همچنین یکی از نادرترین و پرنتیجه‌ترین عجایب طبیعت را تولید می‌کند: شکل جامد آن کمتر چگال از شکل مایع است.
وقتی آب یخ می‌زند، مولکول‌هایش در یک شبکه شش‌ضلعی باز ترتیب می‌یابند، هر مولکول با چهار مولکول دیگر پیوند هیدروژنی دارد. این ساختار پایداری الکترواستاتیک را حداکثر می‌کند اما فضای خالی باقی می‌گذارد، که جامد را سبک‌تر می‌کند. نتیجه: یخ شناور است.
این ناهنجاری ممکن است پیش‌پاافتاده به نظر برسد، اما دلیل این است که زمین در طول یخبندان‌های عمیق قابل سکونت باقی ماند. یخ شناور لایه محافظی تشکیل می‌دهد که آب مایع زیر آن را عایق می‌کند. ماهی‌ها، جلبک‌ها و باکتری‌ها زیر این سپر طبیعی زمستان را زنده می‌مانند.
در طول اپیزودهای باستانی زمین گلوله برفی، وقتی سیاره تقریباً کاملاً در یخ پوشیده شده بود، این خاصیت از یخ زدن کامل اقیانوس‌ها جلوگیری کرد. یخ شناور نور خورشید را بازتاب می‌داد، جذب دی‌اکسید کربن توسط جلبک‌های فتوسنتزی را کند می‌کرد و به جو زمان می‌داد تا گازهای گلخانه‌ای از آتشفشان‌ها انباشته کند – که در نهایت سیاره را دوباره گرم کرد.
اگر یخ غرق می‌شد، اقیانوس‌ها از پایین به بالا یخ می‌زدند و تقریباً همه زندگی را می‌کشتند. هندسه پیوندهای هیدروژنی – بیان مستقیم نیروی کولن – به معنای واقعی کلمه زیست‌کره را نجات داد.
در طول زمان‌های زمین‌شناختی، خورشید تقریباً یک سوم روشن‌تر شده است، اما دمای سطح زمین در محدوده باریکی که آب مایع است باقی مانده است. این پایداری از تعامل ظریف بین فعالیت زیستی و چرخه‌های ژئوشیمیایی ناشی می‌شود – همه بر پایه شیمی الکترواستاتیک.
وقتی زندگی فتوسنتزی شکوفا شد، CO₂ را از هوا خارج کرد، اثر گلخانه‌ای را ضعیف کرد و سیاره را خنک کرد. فرآیندهای آتشفشانی و دگرگونی CO₂ را بازگرداندند و آن را دوباره گرم کردند. چرخه کربنات-سیلیکات، ترموستات بلندمدت سیاره، کاملاً به واکنش‌هایی مانند تشکیل و حل شدن کربنات‌ها وابسته است – هر مرحله مذاکره بارها و پیوندها در سطح مولکولی.
از باکتری‌های گوگردی اولیه که از نور برای اکسید کردن دی‌اکسید گوگرد استفاده می‌کردند تا سیانوباکتری‌هایی که آب را شکافتند و اکسیژن آزاد کردند، هر تحول در جو زمین به همان پایه الکترواستاتیک بازمی‌گردد. حتی اکسیژنی که ریه‌های ما را پر می‌کند، محصول جانبی نیروهای کولن است که در دستگاه فتوسنتزی میکروب‌های باستانی عمل می‌کنند.
نیروی کولن زندگی را فقط به طور غیرفعال حفظ نمی‌کند؛ موجودات زنده تکامل یافته‌اند تا مستقیماً از آن بهره‌برداری کنند. چشمگیرترین مثال گکو است، که پاهایش اجازه می‌دهد بدون تلاش دیوارهای شیشه‌ای عمودی را بالا برود.
هر انگشت پای گکو با میلیون‌ها موهای میکروسکوپی به نام ستا پوشیده شده است، که به صدها اسپاتول نانومقیاس شاخه می‌شوند. وقتی این نوک‌ها سطحی را لمس می‌کنند، الکترون‌ها در پای گکو و در دیوار از طریق نیروهای وان در والس گذرا برهم‌کنش می‌کنند – جذب‌های الکترواستاتیک کوچک ناشی از نوسانات بار موقت.
هر نیروی فردی به طور ناچیز کوچک است، اما ضرب‌شده در میلیاردها نقطه تماس، چسبندگی قوی و قابل بازگشت تولید می‌کند. گکو می‌تواند بچسبد، رها کند و پای خود را تقریباً فوری دوباره بچسباند – بهره‌برداری زیستی نفیس از همان برهم‌کنشی که مولکول‌ها را متصل می‌کند و آب را کنار هم نگه می‌دارد.
حتی حلزون‌ها از اصول مشابه استفاده می‌کنند، الکترواستاتیک را با نیروهای مویرگی در مخاط خود مخلوط می‌کنند تا سطوح عمودی را بالا بروند. طبیعت، به نظر می‌رسد، پر از موجوداتی است که قوانین فیزیک را به آرامی تسلط می‌یابند.
شگفت‌انگیز است که متوجه شویم همه این پدیده‌ها – بادکنک چسبیده به دیوار، مایع بودن آب، شناور بودن یخ، بالا رفتن ابرها، شیمی زندگی و چنگ گکو – فقط بیان‌های متفاوت یک برهم‌کنش جهانی هستند.
نیروی کولن:
یک قانون واحد – مخالفان جذب می‌شوند – زیربنای همه چیز از بادکنک کودک تا بقای زندگی در طول عصرهای یخی سیاره‌ای است.
نیروی کولن از نظر ریاضی ساده است، اما از این سادگی پیچیدگی عظیم جهان طبیعی برمی‌خیزد. این یک قدرت غرنده یا معجزه‌آسا نیست، بلکه آرام و جهانی است – یک مجسمه‌ساز صبور که نامرئی از طریق هر مولکول، هر قطره، هر سلول زنده کار می‌کند.
الکترون‌های اتم‌ها را متصل می‌کند، مولکول‌های زندگی را تا می‌کند، ابرها و اقیانوس‌ها را شکل می‌دهد و اقلیم یک جهان شکننده را پایدار می‌کند. بدون آن، هیچ شیمی، باران، نفس، فکری وجود نداشت – فقط یک کیهان خاموش و عقیم.
اگر کسی به دنبال نشانه یک معمار بزرگ باشد، شاید نه در معابد یا معجزات، بلکه در خود امکان – در قوانینی چنان ظریف متعادل که آب، هوا و آگاهی را به وجود می‌آورند. معمار بناهای یادبود برای پرستش نساخت؛ او شرایط برای زندگی را ساخت، و این چیزی است که باید گرامی بداریم.
همان نیروی نامرئی که اجازه می‌دهد بادکنک به دیوار بچسبد، دریاها را به سیاره، ابرها را به آسمان و نبض زنده را به بافت ماده متصل می‌کند. این نخ آرام است که فیزیکی را به زنده پیوند می‌زند – نیروی ساده‌ای که یک جهان زنده ساخت.
معجزه نه در این است که جهان وجود دارد، بلکه در این است که به خودش اجازه می‌دهد زنده باشد.