۵٫۴ نیروها و میدان‌ها

خانه ／ ۵ ذراتِ میکروسکوپی

نظریهٔ رشته‌هایِ انرژی نیرو را جا‌به‌جاییِ خالص همراه با فشارِ بازآرایی می‌داند؛ رخدادی که هنگام حرکتِ ساختارها روی نقشهٔ تنشی روی می‌دهد که پیوسته بازنویسی می‌شود. میدان همان نقشه است: توزیعِ تنش در دریایِ انرژی و بافت‌هایِ جهت‌گیری که آن را سامان می‌دهند. رشته‌هایِ انرژی ماده و ساختار فراهم می‌کنند و دریایِ انرژی انتشار و هدایت. بنابراین، میدانِ الکتریکی امتدادِ فضاییِ یک بافتِ نزدیکِ جهت‌گیری است؛ میدانِ مغناطیسی بازگردشِ پیرامونی است که وقتی آن بافت با حرکت یا اسپین کشیده می‌شود پدید می‌آید؛ گرانش منظری هدایت‌گر و همسان‌سو پس از میانگین‌گیریِ زمانی است؛ و برهم‌کنش‌هایِ ضعیف و قوی از کانال‌هایِ بازپیوند و نوارهایِ بست چندرشته‌ای سرچشمه می‌گیرند.

نخست. چهار جمله برای بستنِ تعریف‌ها

• میدان: نمودارِ حالتِ دریایِ انرژی که از مقدار و نوسانِ تنش، و از بافت‌هایِ جهت‌گیری و گردشِ رشته‌ها ساخته می‌شود.
• خطوطِ میدان چیزهایِ مادی نیستند؛ مسیرهایی با عبورِ آسان‌تر را نشان می‌دهند و جاهایی را می‌نمایانند که مقاومت کم‌تر است.
• نیرو = جا‌به‌جاییِ خالص + هزینهٔ بازآرایی روی نقشه: بخشی که نقشه می‌کِشد و بخشی که برای بازنویسیِ همان نقشه هنگام عبور می‌پردازیم.
• پتانسیل = تفاوتِ هزینهٔ نگه‌داری میان نواحیِ تنش: تنشِ افزوده برای ورود و تنشِ بازگشتی برای خروج.

دوم. میدان چگونه ساخته و چگونه به‌روز می‌شود

• ذره‌هایِ پایا → چاه‌هایِ هدایت. پیچشِ پایدار پیرامون را به فرورفتگی یا سراشیبِ نرم می‌کشد؛ پس از میانگینِ زمانی، کششِ دوردستِ همسان‌سو برجا می‌ماند؛ ریشهٔ فیزیکیِ گرانش.
• ساختارهایِ باردار → قلمروهایِ جهت‌گیری. ناهمگنیِ مارپیچِ مقطعی رشته‌ها را رو به درون یا بیرون هم‌سو می‌کند؛ گسترشِ فضاییِ همین هم‌سویی میدانِ الکتریکی است.
• قلمروِ در حرکت → نوارهایِ بازگردشِ پیرامونی. هنگامی که قلمرو جابه‌جا می‌شود یا با اسپین به پهلو کشیده می‌شود، در طولِ مسیر نوارهایِ بازگردش در دریا سازمان می‌یابد—بافتِ میدانِ مغناطیسی.
• دگرگونیِ منبع → تازه‌سازیِ نقشه. جهشِ ناگهانی رخ نمی‌دهد؛ بسته‌هایِ موجِ تنش با حدِّ سرعتِ محلی به‌روز‌رسانی را می‌رانند و علیّت را نگاه می‌دارند.

تمثیل: توپوگرافیِ تنش را در نظر بگیرید: تودهٔ خاک → چاهِ هدایت (گرانش)؛ شانه‌زدنِ علف در یک سو → قلمروِ جهت‌گیری (الکتریک)؛ دویدن روی پیست → نوارهایِ گردابه (مغناطیس). اصلاح از منبع آغاز می‌شود و با همان حدِ محلی به بیرون می‌تراود.

سوم. جای‌گذاریِ چهار برهم‌کنشِ شناخته‌شده روی نقشه

• گرانش: چاه‌ها و سراشیب‌هایِ دراز؛ فرود آمدن کارِ کم‌تری می‌خواهد تا فراز رفتن، پس رانش به درون پدید می‌آید. خم‌شدنِ پرتو و مسیرِ ذره‌ها از پیِ راهِ آسان‌تر است. همگان نقشهٔ یکسان را می‌خوانند و از همان سراشیب فرو‌می‌افتند. به‌طور آماری انبوه ساختارهایِ کوتاه‌عمر پس‌زمینه‌ای از گرانشِ تنشی می‌سازند.
• نیرویِ الکتریکی: قطبشِ جهت‌دار و تفاوتِ مقاومت؛ هم‌سوییِ مناسب → مقاومتِ کم‌تر (جذب)، وارونگیِ جهت → مقاومتِ بیش‌تر (دفع). خطوطِ کلاسیکِ میدان، دسته‌هایِ هم‌نهادهٔ رشته‌ها را ترسیم می‌کند. رساناها به آسانی می‌پوشانند، زیرا جهت‌گیریِ درونی به‌سرعت بازچینش می‌شود؛ عایق‌ها به‌علتِ هیسترزیس این‌چنین نیستند.
• نیرویِ مغناطیسی: نوارهایِ پیرامونی و رانشِ جانبی؛ بریدنِ این نوارها اختلافِ مقاومتِ جانبی و سپس کج‌شدن می‌آورد. پیچه‌ها با هم‌فازیِ رشته‌هایِ حاملِ جریان میدان را نیرومند می‌کنند، و موادِ فرومغناطیس با قفل‌کردنِ ریزقلمروها در یک جهت، مقاومتِ کل را پایین می‌آورند و مدارِ مغناطیسی را می‌گشایند. «قاعدهٔ دستِ راست» جهتِ نوار و جهتِ نیرو را پیوند می‌دهد.
• ضعیف و قوی: ضعیف، بازپیوندِ کوتاه‌بُرد با گرایشِ کی‌رالی و گذرگاه‌هایِ محدود است؛ قوی، نوارهایِ بستِ چندرشته‌ای می‌سازد که کوارک‌ها را در بند می‌گذارد؛ با کششِ بیش‌تر هزینه بالا می‌رود تا جایی که جفت‌زایی از دریا ارزان‌تر می‌شود: می‌کشید و جفت پدید می‌آید.

چهار میدانِ مستقل لازم نیست؛ همه از زیر‌بنایِ یگانه—تنشِ دریا و سازمانِ رشته‌ها—سربرمی‌آورند و تفاوت‌ها از هندسه و جهت و دینامیک می‌آیند.

چهارم. ریزخاستگاهِ نیرو: چهار حرکتِ اندک که می‌توان دید

• گزینش: دریا مسیرها را پالایش می‌کند و به سوی مقاومتِ کم‌تر جهت می‌دهد.
• بازکِش: با دورشدن از راهِ هموار، دریا رشته‌ها و جهت‌گیری را موضعی فشرده و بازمی‌کشد تا به مسیرِ آسان برگرداند.
• بازپیوند: در نواحیِ برشِ شدید، رشته‌ها می‌گسلند و پیوند می‌خورند تا از گلوگاه بگذرند؛ تکانه‌ای روشن و عبورِ پاره‌پاره احساس می‌شود.
• رله: بسته‌هایِ تنش نقشه را بخش به بخش تازه می‌کنند و «راهِ آسان‌تر» را به بخشِ بعدی می‌سپارند؛ ازاین‌رو جهت و سرعت هموار دگرگون می‌شود.

محصولِ برداریِ همین ریزحرکت‌ها «نیرویِ کلان» است.

پنجم. برهم‌نهی و ناخطی: کِی خطی است و کِی نه

با نوسانِ اندک، جهت‌گیریِ ضعیف و فاصله از اشباع، برهم‌نهیِ خطی تقریبِ خوبی است: چند تپّهٔ کوتاه هم «راهِ اصلی» را نشان می‌گذارد. اما با نوسانِ بزرگ، نزدیکی به اشباع یا فشردگیِ نوارها، دریا دیگر «الاستیکِ بی‌کران» نیست و تقریبِ خطی می‌شکند. نمونه‌ها: اشباعِ مغناطیسی، فشردگیِ پرتو در نواحیِ هدایت، و تورّمِ سریعِ لایهٔ پوشش در میدان‌هایِ قوی. در این حالت باید بازآراییِ سرتاسریِ نقشه را توصیف کنیم، نه جمعِ سادهٔ منابع را.

ششم. حدِّ سرعت و هم‌پاسخیِ دور و نزدیک

نوسازیِ نقشه به حدِّ انتشارِ محلی مقیّد است؛ پیام‌ها قطاع‌به‌قطاع می‌گذرند و از حد نمی‌گذرند. با این‌همه، نواحیِ به‌شدت هم‌بسته، هندسه و قیودِ مشترک دارند و وقتی مرز یا منبع دگرگون می‌شود، به‌سبب یکسان بودنِ شرط نزدیک به هم‌زمان پاسخ می‌دهند. این هم‌زمانیِ ظاهری از قیودِ مشترک می‌آید نه از پیام‌های فراتر از حد؛ پس علیّت با پاسخِ تقریباً هم‌زمان کنار می‌آید.

هفتم. کار و دفترِ انرژی: کار از هیچ پدید نمی‌آید

فرود، تنشِ انباشته بر نقشه را به انرژیِ جنبشی دگرگون می‌کند و فراز، کار را در کمونِ تنش پس‌انداز می‌کند. همین دفتر، شتابِ الکتریکی، هدایتِ مغناطیسی و گشودن/بستنِ کانال‌هایِ قوی/ضعیف را نیز توضیح می‌دهد. فشارِ تابش و پس‌زَن نیز از بازنویسیِ نقشه فهمیده می‌شوند: با گسیلِ بستهٔ موجِ تنش دریا گذرگاهی می‌گشاید و سپس پر می‌کند و ساختار تکانهٔ واکنشی می‌گیرد. انرژی و تکانه میان رشته‌ها و دریا به‌روشنی مبادله می‌شوند.

هشتم. محیط‌ها و مرزها: رسانا، عایق، دی‌الکتریک، مادهٔ مغناطیسی

• رسانا: جهت‌گیریِ درونی به‌آسانی بازچینش می‌شود؛ سوگیریِ اندک پخش می‌شود و پوشش و هم‌پتانسیلی پدید می‌آید.
• عایق: هیسترزیس بزرگ؛ بازآرایی کُند است، میدان به‌سختی می‌گذرد و تنش محلی می‌ماند.
• دی‌الکتریک: سوگیریِ بیرونی حوزه‌های کوچک را به‌نسبت می‌گرداند و نزدیک‌میدان را هموار می‌کند؛ قطبشِ مؤثر و ثابتِ دی‌الکتریک می‌افزاید.
• مغناطیسی: حوزه‌هایِ ریزِ بازگردش در یک جهت قفل می‌شوند؛ مقاومتِ کل می‌افتد، مدارِ مغناطیسی گشوده می‌شود و نفوذپذیری و جذب نیرومند می‌گردد.

نهم. خواندنِ نقشه در داده‌ها: چهار محورِ نشانگر

• صفحهٔ تصویر: دسته‌هایِ انحراف یا بادبزن‌ها و رگه‌ها هندسهٔ چاه‌ها و قلمروهایِ جهت‌گیری را می‌نمایانند.
• قطبش: زاویهٔ موقعیت قطب‌نماست و نوارهایِ قطبی، جهت‌گیری و گردش را مستقیم رسم می‌کنند.
• زمان: پس از زدودنِ پاشندگی، وجودِ پله‌هایِ مشترک و لفافه‌هایِ پژواک—نخست قوی، سپس ضعیف، با فاصله‌هایی رو به افزایش—امضای «فشردن و رها کردن» نقشه است.
• طیف: بالا آمدنِ مؤلفه‌هایِ بازپردازش‌شده با جذبِ رانده به آبی و خروج‌های زاویهٔ باز، یعنی انرژی روی نوارهایِ حاشیه پخش می‌شود؛ قله‌هایِ باریک و سخت با چشمکِ تند، نشانهٔ سوراخ‌کاریِ محوری است.

بَرسنجیِ هم‌زمان روی این چهار محور از هر شاخصِ منفرد استوارتر است.

دهم. در پایان

میدان نقشهٔ حالتِ دریایِ انرژی است—تنش و جهت‌گیری—و نیرو جابه‌جایی و هزینهٔ غلبه بر مقاومت روی همان نقشه. گرانش از چاه‌ها و سراشیب‌ها، الکتریسیته از قطبشِ جهت‌دار، مغناطیس از نوارهایِ بازگردشِ پیرامونی و ضعیف/قوی از بازپیوند و نوارهایِ بست سر برمی‌آورند. تازه‌سازی با حدِّ سرعتِ محلی می‌گسترَد و علیّت را نگه می‌دارد؛ قیودِ مشترک پاسخ‌هایی نزدیک به هم‌زمان پدید می‌آورند بی‌آن‌که حد شکسته شود. برهم‌نهیِ خطی در «سیگنالِ کوچک» معتبر است و میدان‌هایِ قوی ناخطی را عیان می‌کنند. انرژی و تکانه میان رشته‌ها و دریا دست‌به‌دست می‌شوند؛ کار از هیچ پدید نمی‌آید.