5.4: כוח ושדה

דף הבית ／ פרק 5: חלקיקים מיקרוסקופיים

בתורת סיבי האנרגיה הכוח איננו יד בלתי נראית והשדה איננו ישות מופשטת מחוץ לחומר. הכוח הוא סטייה נטו ולחץ לארגון מחדש שחווים גופים בנויים על גבי מפה מתעדכנת של מתיחות. השדה הוא אותה מפה עצמה, כלומר התפלגות המתיחות ודפוסי הכיווניות בים האנרגיה. סיבי האנרגיה מספקים חומר ומבנה, וים האנרגיה מספק התפשטות והכוונה, וביחד הם מעצבים את כל הופעות הכוח והשדה. בתיאור המיקרוסקופי של האלקטרון השדה החשמלי הוא המשך מרחבי של דפוס הכיווניות הקרוב, השדה המגנטי הוא רצועות היקפיות המתארגנות כאשר הדפוס נגרר הצידה בשל תנועה או סיבוב, והכבידה היא תבליט מתיחות איזוטרופי לאחר מיצוע סיבובי. האינטראקציות החלשה והחזקה נובעות מן הגאומטריה ומנגנוני המתיחות של תעלות התחברות מחדש ושל רצועות קשירה.

I. הגדרות בסיסיות: ארבעה משפטים שממקמים את הרעיון

• השדה הוא מפת מצב של ים האנרגיה, המורכבת מגודל המתיחות וגלישותיה ומדפוסי כיווניות וסחרור של סיבי האנרגיה.
• קווי שדה אינם קווים ממשיים אלא מסלולי זרימה של הדרך הקלה יותר, המורים היכן ההתנגדות קטנה.
• הכוח הוא סטייה נטו ועלות ארגון מחדש על המפה, הן היסחפות עם המפה והן המחיר של כתיבה מחדש כדי לאפשר מעבר.
• הפוטנציאל הוא הפרש עלות תחזוקה בכניסה לאזור מתיחות או ביציאה ממנו, כלומר מתיחות נוספת בכניסה מול מתיחות המוחזרת ביציאה, הפרש פוטנציאל מתיחות.

II. כיצד השדות נוצרים וכיצד הם מתעדכנים

• גַּרְעִינִים יציבים חופרים בארות הכוונה בים האנרגיה, מתיחות נאספת לבורות או לשיפועים עדינים, ולאחר מיצוע בזמן ניכר שדה רחוק אחיד בהכוונתו, מקורו הפיזיקלי של שדה הכבידה.
• מבנים טעונים יוצרים תחומי כיווניות סמוך למקור, חתך לולייני בלתי סימטרי ממיין סיבים כלפי פנים או כלפי חוץ ומקים מערבולות מתיחות, המשכן המרחבי הוא השדה החשמלי.
• כאשר תחומי כיווניות נעים או מסתובבים פנימה, ים האנרגיה מתארגן לרצועות היקפיות סביב המסלול, וכך מתקבל המרקם ההליקלי של השדה המגנטי.
• כאשר המקור משתנה המפה מתחדשת במגבלת מהירות מקומית, חבילות גלים של מתיחות מתקדמות אזור אחר אזור ונשמרת עקיבות סיבתית.

דמיינו טופוגרפיית מתיחות, ערימה מקומית של עפר משמשת באר הכוונה שהיא כבידה, סירוק עשב בכיוון אחד יוצר תחום כיווניות שהוא שדה חשמלי, וריצה במסלול יוצרת זרימות מקיפות שהן שדה מגנטי. השינויים מתחילים באזור המקור ומתפשטים החוצה במגבלת המהירות המקומית.

III. מיקומן של ארבע האינטראקציות הידועות על המפה

• כבידה, בארות מתיחות ומדרונות ארוכים. כל מבנה יציב מהדק את ים האנרגיה הסמוך ומחולל בורות או שיפועים רחבים. גופים בנויים חוסכים עבודה בירידה ומשלמים בעלייה ולכן נוצרת סטייה נטו פנימה. עקימות אור ומסלולי חלקיקים הן בחירה עקבית של דרכים קלות יותר. עקרון השקילות נעשה אינטואיטיבי, הכול קורא אותה מפה ונופל חופשי באותו מדרון עדין. בקני מידה גדולים מצטיירת כבידת מתיחות סטטיסטית מריבוי מבנים קצרי מועד.
• כוח חשמלי, קיטוב מכוון והבדלי התנגדות. מבנה טעון מקטב סיבים סביבו ויוצר הבדל מעבר בין חזית לעורף. התאמת כיווניות מוסיפה דרך חלקה שהיא משיכה, כיווניות מנוגדת מוסיפה דרך מחוספסת שהיא דחייה. קווי השדה הקלאסיים הם אלומות סיבים מסודרות. מוליכים מסתירים בקלות מפני שכיווניות פנימית מסתדרת מחדש ומבטלת הטיה חיצונית, מבודדים מתקשים בשל היסוס כיווניות.
• כוח מגנטי, רצועות היקפיות וסטייה צידית. גרירה של תחום כיווניות מולידה רצועות סביב כיוון הגרירה. גוף בנוי החוצה רצועות חש הבדל בנוחות המעבר בין ימין לשמאל ומוסט הצידה. סלילים יוצרים מגנטים חזקים משום שאלפי סיבים נושאי זרם נערמים בסדר לרצועות. חומרים פרומגנטיים נמשכים בעוצמה כאשר תחומים זעירים ננעלים יחדיו, ההתנגדות הכוללת יורדת וכניסה לרצועה נעשית הנתיב הקל ביותר. כלל היד הימנית קושר בין כיוון הרצועה לכיוון הכוח.
• אינטראקציות חלשה וחזקה, תעלות התחברות מחדש ורצועות קשירה. החלשה משויכת לתעלות קצרות טווח בעלות העדפת ידיות ומסלולי מעבר מוגבלים, החזקה משויכת לרצועות קשירה רב סיביות הדוקות הקושרות קווארקים. ניסיון לקרוע מעלה עלות תחזוקה, זול יותר לים האנרגיה למשוך קטע סיב חדש ולהצמיח זוג באמצע, תמונת משוך ונולד זוג.

ארבע האינטראקציות אינן דורשות ארבעה שדות נפרדים, הן בוקעות מאותן מתיחויות ומארגון הסיבים של ים האנרגיה ונראות מבעד לחלונות גאומטריה כיווניות ודינמיקה שונים.

IV. המקור המיקרוסקופי של הכוח: ארבע תנועות זעירות נראות

כאשר מרגישים כוח בתוך שדה מתרחשות יחד כמה פעולות זעירות. ראשית, ים האנרגיה בורר מסלולים אפשריים ובוחר תעלות התנגדות נמוכה ולכן נקבעת הכיווניות. שנית, סטייה מן הדרך הקלה גוררת משיכת סיבים וכיווניות מקומית חזרה אל המסלול הנוח. שלישית, באזורים של גזירה חזקה סיבים נקרעים ומתחברים מחדש כדי לעקוף חסימה ונחוש דחיפה או משיכה מקוטעת. רביעית, עדכוני המפה נעים כחבילות גלים של מתיחות שמעבירות הלאה את המסר כאן קל יותר ולכן מהירות וכיוון משתנים בעדנה.

V. חיבוריות ועל־קוויות: מתי ליניארי עובד ומתי נשבר

כאשר הגלישות קטנות, הכיווניות חלשה ורחוקים מרוויה, אפשר לחבר בקירוב דפוסים מרובי מקורות כצירוף ליניארי, כמה גבנונים נמוכים עדיין מגלים נתיב ראשי. עם זאת, בגלישות גדולות, בכיווניות המתקרבת לרוויה או בדחיסת רצועות היקפיות זו בזו, ים האנרגיה אינו מתנהג כאלסטיות אין סופית והחיבוריות הליניארית קורסת. סימנים אופייניים הם רוויה מגנטית, כיווץ אלומות חזק באזורי הכוונה עזה והתנפחות שכבות הסתרה בשדות חשמל חזקים. במצבים אלו יש לתאר ארגון מחדש של המפה השלמה במקום לחשב כל מקור בנפרד ולחבר.

VI. מגבלות מהירות ותאום קרוב רחוק: סיבתיות וסינכרון יחד

התחדשות המפה כבולה למהירות התפשטות מקומית. ים האנרגיה מעדכן אזורית בקצב התקרה המקומית ואין מסרים מהירים מזה. במקביל אזורים ברשת מצומדת חולקים גאומטריה ומגבלות, וכאשר גבולות או מקור משתנים אזורים רבים מגיבים כמעט יחד באותה לוגיקה. הדבר דומה לסינכרון מרחוק אך למעשה אלו תנאים משותפים שנענים בו־זמנית ולא שליחת מסרים חורגים, לכן סיבתיות וסינכרון יכולים לדור יחד.

VII. עבודה ומאזן אנרגיה: כוח איננו יוצר עבודה מן האין

ירידה במדרון ממירה מתיחות אגורה על המפה לאנרגיה קינטית. עלייה במדרון מחזירה את עבודתנו כפוטנציאל מתיחות. האצה בשדה חשמלי, הכוונה בשדה מגנטי ופתיחה או סגירה של תעלות באינטראקציות חלשה וחזקה נשמרות באותו מאזנים. לחץ קרינה וריקול מתפרשים כארגון מחדש של המפה, חבילות גלי מתיחות מפנות מסדרון ונושאות עלות מילוי והמבנה מקבל תאוצה נגדית. אנרגיה ותנע עוברים בבירור בין סיבים לים האנרגיה והמאזן נסגר.

VIII. תווך וממשק: מה הם מוליכים, מבודדים, די־אלקטריים וחומרים מגנטיים

• מוליכים, כיווניות פנימית מסתדרת מחדש בקלות, הטיה קטנה מתפזרת רחב ונולדים מסכים ומשטחי שווי פוטנציאל באופן טבעי.
• מבודדים, לכיווניות יש שיהוי, ים האנרגיה דורש זמן ועלות לסידור מחדש ושדות חודרים בקושי ואנרגיה נאגרת מקומית כמתיחות.
• די אלקטריים, הטיה חיצונית מסובבת פרופורציונלית תחומים זעירים רבים ומיישרת את השדה הקרוב, התוצאה היא קיטוב חזק יותר וקבוע די אלקטרי גדול יותר.
• חומרים מגנטיים, מצוי בהם תחומי סחרור קטנים הננעלים בקלות, יישור עם שדה חיצוני מפיל את ההתנגדות הכוללת, המעגל המגנטי נפתח ונוצרים משיכה חזקה וחדירות גבוהה.

קטגוריות יומיומיות אלה נעשות אינטואיטיביות כאשר מציירים אותן מחדש על מפת מתיחות.

IX. קריאת המפה מתוך נתונים: כיצד מזהים את המפה הנצפית

• מישור תמונה, חפשו אלומות של עקמימות או תבניות מניפה וסרגל בכיוון יחיד, הן חושפות את גאומטריית בארות ההכוונה ותחומי הכיווניות.
• קיטוב, זווית מיקום משמשת מצפן לאורך הדרך ורצועות קיטוב מציירות ישירות כיווניות וסחרור.
• זמן, לאחר הסרת פיזור חפשו מדרגות משותפות ומעטפות הד להוכחת לחיצה ושחרור של המפה, תחילה חזק אחר כך הולך ונחלש ומרווחים מתארכים.
• ספקטרום, רכיבי עיבוד חוזר מוגברים, היסט קליטה לכחול וזרימות יציאה רחבות זווית מעידים על התפשטות אנרגיה לאורך רצועות שוליים, שיאים צרים קשים עם הבהוב מהיר נובעים לרוב מחורי מעבר ציריים.

שלבו ארבעה קווי ראיה אלה, יחד הם מהימנים יותר מכל סימן בודד.

X. לסיכום

השדה הוא מפת מצב של ים האנרגיה מרוצפת מתיחות וכיווניות, והכוח הוא חוויית המבנה על התבליט הזה, תנועה לאורך הדרך הקלה ומחיר התגברות על התנגדות. כבידה נובעת מבארות מתיחות ומדרונות ארוכים, כוחות חשמל נובעים מקיטוב מכוון, כוחות מגנטיים נובעים מרצועות היקפיות, והאינטראקציות החלשה והחזקה נובעות מתעלות התחברות מחדש ומרצועות קשירה. שינויי המפה מתפשטים במגבלת מהירות מקומית וסיבתיות נשמרת, מגבלות משותפות ברשת מאפשרות תגובות כמעט מסונכרנות מרחוק בלי אותות החורגים מן הגבול. חיבור ליניארי הוא קירוב למצבים עדינים ובשדות חזקים שוררת על־קוויות. אנרגיה ותנע מתחלפים בין סיבים לים האנרגיה ואין עבודה שנובעת מן האין. במבט זה לכוח ולשדה שורש משותף למסקנות קודמות, תכונות אינן מוענקות מראש אלא עולות מן המבנה, והמפה איננה נתונה מראש אלא נרשמת יחד ומעודכנת בכל עת.