نیروها و میدان ‌ها

جهان هستیِ ما متشکل از مادّه به صورت‌های مختلف است. اصل بقای ماده اِشعار می‌دارد که مقدار ماده‌ی جهان کم و زیاد نمی‌شود هرچند مواد به یک‌دیگر تغییر شکل می‌دهند. بر این مواد، اصولی اساسی حاکم است که به اصول حرکتی، که عمدتاً نیوتون آنها را کشف کرد و عرضه داشت، معروفند. این اصول که توصیف کننده‌ی قوانین حاکم بر برخورد مواد است در واقع چگونگی شکل‌گیری مجموع مواد را قبل و بعد از کنش‌هایی که با یک‌دیگر دارند تعیین می‌نماید. این سخن، وقتی که به طور دقیق تحلیل شود، به این معناست که نهایتاً برخوردهای ریز-ساختار مواد ماکروسکوپیک با یک‌دیگر، به واسطه‌های مادی یا به طور مستقیم، کنش‌های مواد بر یک‌دیگر را تعیین می‌نماید. و به زبان روشن‌تر این به این معناست که تأثیر دو ماده بر یک‌دیگر نهایتاً چیزی جز از نوع برخوردهای مادی، منتهی احتمالاً به شکل‌های ریز نامکشوف، نمی‌باشد. تأثیر مواد بر یک‌دیگر را به صورت اِعمال نیرو بر یک‌دیگر بیان می‌کنیم. پس آن‌چه ما نیرویی که دو ماده بر یک‌دیگر وارد می‌کنند می‌نامیم در نهایت به چیزی جز برخورد بین دو جرم ساده نمی‌شود. این‌که نیروهایی که ما می‌شناسیم چگونه به برخوردهایی از این نوع ساده، ساده می‌شوند مبحث فیزیکی مبسوطی را می‌طلبد. اما آن‌چه برای ما در این‌جا اهمیت دارد این است که قدر مسلم، این نیروها بدون ماده وجود ندارند چون در حقیقت تنها تأثیر (برخوردی) ماده بر ماده هستند. تأکید بر این مطلب به این خاطر مهم است که متأسفانه گاهی علم‌زدگی باعث می‌شود که به برخی مفاهیم کمکی که برای درک بهتر واقعیات فیزیکی وضع کرده‌ایم آن‌چنان بها می‌دهیم که کم‌کم خودمان هم باور می‌کنیم که آنها نه مفهومی کمکی هستند که واقعیتی خارجی و فیزیکی دارند. یکی از این مفاهیم، میدانِ نیروست. میدان نیرو درواقع برای ارزیابی شدت نیرو در یک ناحیه وضع شده است و می‌دانیم که نیرو جز با حضور ماده نمی‌تواند وجود داشته باشد. اما از شدت مفید بودن و گسترش مفهوم میدان گاهی دانش‌زدگان آن‌را به کلی مجرد از ماده می‌پندارند و برای آن اصالتی بیش از ماده‌ی موجود قائل می‌شوند. به زبان دیگر، کم‌کم کار به جایی می‌رسد که وجود میادین را اصل می‌پندارند و برای موجود بودنشان احتیاجی به وجود ماده قائل نیستند. و این وقتی به صورتِ خارج از کنترل گسترش می‌یابد که حتی از حوزه‌ی تخصصی فیزیک و علوم تجربی خارج شده و حتی بدون ارائه‌ی هیچ دلیل مقبولی به محدوده‌ی متافیزیک واردش می‌کنند و مثلاً روح را شکلی از این میادین مجرد بیان می‌دارند. بحث در اصالت روح و مباحث متافیزیکی که در وجود آنها شکی وجود ندارد نیست بلکه بحث در اعتبار توجیه آنها با برداشت‌های اشتباه از مفاهیم کمکی فیزیکی است. ذکر این مطلب برای تأکید بر این‌که به مفهوم میدان تنها باید به عنوان یک مفهوم کمکیِ وابسته به ماده نگریست و نه بیشتر، ضروری بود.

حال با کمی مسامحه، از آثار نیروییِ مواد بر یک‌دیگر، هم‌چنان، بدون افراط در تعمیم مفهوم آن، به عنوان میدان یاد می‌کنیم. به این ترتیب، می‌توانیم بگوییم که در این جهان فیزیکی، ما در دریایی از میادین مختلف غرق هستیم بدون آن که خود متوجه باشیم. مثلاً میدان ثقلی زمین یا میدان ثقلی هر کدام از اجرام فلکی بر ما مؤثر است. هم‌چنین هندسه‌ی منطومه‌ی شمسی و حرکت زمین‌مان و هندسه‌ی کل کیهان تحت تأثیر همه جانبه و نافذ میدان‌های ناشی از نیروی ثقلی شکل گرفته است. انسان گرچه وجود این میدان را با کشیده شدنش به طرف مرکز زمین حس می‌کرد اما آن را درک نمی‌نمود یعنی متوجه وجود آن نبود تا هنگامی که نیوتون به درستی آن را درک کرد و درک نمود که این میدان شاید اساسی‌ترین میدان طبیعت باشد که کل کائنات به خاطر آن برقرار است یا حتی بر اثر آن احیاناً منهدم می‌شود. میدان ثقلی هم‌چنین از نظر همه‌گیری آن نیز اهمیت دارد. این به این معناست که منشأ یا چشمه‌ی آن و نیز دریافت کننده‌ی آن بلااستثنا مواد یا اجرام می‌باشند و از این نظر بین اجرام مختلف نمی‌توان تمیزی قائل شد. هم‌چنین برای این میدان حائل و مانعی نیز وجود ندارد و همواره در هر حالی بر هر جرمی نافذ است. البته این که در چه مکانیسم دقیق فیزیکی‌ای می‌باشد که دو جرم بر یک‌دیگر نیروی ثقلی وارد می‌کنند محل بحث و تحقیق فیزیکی گسترده‌ای می‌باشد که در این‌جا مجال پرداختن به آن نیست، اما لازم است عجالتاً اشاره شود که هم فیزیک کوانتومی سعی دارد این مکانیسم را در وجود کوانتاهای ثقلی پیدا کند و هم فیزیک کلاسیک سعی دارد این مکانیسم را در قالب اثرهای گسترش موجی کلاسیکی بر حامل‌های ریزِ کشف نشده‌ی مادی جستجو نماید. قدر مسلم این است که این مباحث، اهمیت بسیار بزرگ این میدان نیروی بنیادی را می‌رساند.

میدان‌های دیگری که فیزیک می‌شناسد عبارتند از میدان نیروی الکتریکی و میدان نیروی مغناطیسی. هر کدام از این دو میدان، هم‌چون میدان نیروی ثقلی دامنه‌ی گسترش بی‌نهایتی دارند. این به این معناست که بُرد میادین ثقلی، الکتریکی، و مغناطیسی بی‌نهایت است و هیچ چیز از حوزه‌ی تأثیر آنها بیرون نیست، اما البته ممکن است بر اثر بُعد فاصله، میزان این تأثیر بی‌نهایت کوچک و غیر قابل تشخیص باشد. تفاوت میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با میدان ثقلی از جمله در این است که به همه‌گیری آن نیستند. یعنی مثلاً یک میدان الکتریکی حتماً باید مبدأ و منتهایش بار الکتریکی باشد نه چیزی دیگر. هم‌چنین مبدأ و منتهای یک میدان مغناطیسی باید تنها چیزی باشد که می‌توانیم آن را بار مغناطیسی بنامیم. ولی البته نافذ بودن این میادین، شبیه مورد مربوط به میدان ثقلی است، به این معنا که چیزی مانع اثر آنها نمی‌شود. در مورد ماهیت مکانیسم فیزیکی تأثیر دو بار الکتریکی یا دو بار مغناطیسی بر یک‌دیگر نیز مباحث مشابه گوناگونی وجود دارد که هنوز هیچ‌کدام حالت نهایی و قاطعی به خود نگرفته‌اند اما قدر مسلم، وجود آنهاست و شکلِ دقیقِ اِعمالِ آنها بر یک‌دیگر. شکلی که مباحث گسترده‌ای از مهندسی و ساخت و استفاده از وسایل مختلفی که زندگی بشر را سهل و رو به پیش‌رفت ساخته‌اند را پوشش می‌دهد. وسایل گسترده‌ی مخابراتی یکی از مثال‌های بارز آن است.
نکته‌ای که در مورد میدان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی از اهمیت فراوانی برخوردار است و آنها را کاملاً از میدان ثقلی متمایز می‌کند این است که این دو میدان بر یک‌دیگر تأثیر می‌گذارند و یا، به نوعی، در ظاهر این‌گونه به نظر می‌رسد که این دو مولد یک‌دیگرند. البته اگر بخواهیم خیلی دقیق باشیم باید از میدان مجزایی صحبت کنیم که بین دو بار، یکی الکتریکی و یکی مغناطیسی، که نسبت به یک‌دیگر جابه‌جا می‌شوند برقرار است که آن هم از قوانین موج‌گونه‌ی خود تبعیت می‌کند. اما عملاً در فیزیک از چنین میدان مستقلی صحبت نمی‌شود بلکه ظواهر آن به خواص میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی و کنش آنها با یک‌دیگر نسبت داده می‌شود. شاید بحث نظری در وجود و چگونگی وجود این تأثیر دوجانبه از جذابیت و نبز از پیچیدگی بیشتری در دنیای فیزیک برخوردار باشد، اما در زمینه‌ی توجیه آن هم اختلاف نظرهای بسیاری در جهان فیزیک وجود دارد و هنوز در مورد آن قطعیتی به دست نیامده است. به هر حال اما این تأثیر دوجانبه بیشترین منفعت را برای بشر داشته است. درواقع می‌توان گفت تمام صنعت گسترده‌ی نیروی برق، چه از جنبه‌ی قدرت و چه از جنبه‌ی الکترونیکی آن، ازجمله در رابطه با ژنراتورها در بزرگ مقیاس، و تراشه‌های الکترونی در کوچک مقیاس، همه در رابطه با استفاده از این تأثیر دوجانبه‌ی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بر یک‌دیگر می‌باشند. مسلماً اگر این تأثیر دوجانبه نبود چنین استفاده‌های گسترده‌ای محال بود. به روشنی، محدود بودن استفاده‌های صِرف از یکی از این دو میدان را در مباحث مهندسی شاهدیم، یعنی به سختی می‌توان مثال‌هایی از مهندسی آورد که مثلاً در آنها تنها از تأثیر مغناطیسی صِرف یا تنها از تأثیر الکتریکی صِرف استفاده شده باشد.
گذشته از مصارف مهندسیِ بشریِ تأثیر دوجانبه‌ی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بر یک‌دیگر، گویا مهندسِ طبیعت نیز از این خاصیت دوجانبه حداکثر بهره‌برداری را نموده است. مثلاً امواج نوری یا گرمایی یا فرابنفشی یا فروسرخی یا از هر تواتر در محدوده‌ی گسترده‌ی آن‌چه امواج الکترومغناطیسی نامیده می‌شود چیزی جز برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی بر یک‌دیگر و، به عبارتی ساختنِ یک‌دیگر، و به این ترتیب، گستراندن موج نمی‌باشد. چنین استفاده‌ی مهندسی توسط طبیعت از این تأثیر دوجانبه، به امواج الکترومغناطیسی محدود نمی‌شود بلکه ساختار ریز اتمی و زیر اتمی را نیز دربر می‌گیرد، که این امر باعث قوام اجزای مادی طبیعت است.

تفاوت ماهوی دیگری که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با میدان ثقلی دارند این است که این میدان‌ها هم‌چون میدان ثقلی تنها از توع جاذبه‌ای نمی‌باشند بلکه نوع دافعه‌ای نیز در آنها وجود دارد. همین امر خود موجب ایجاد مفهوم قطب و دوگانگی آن (به صورت مثبت و منفی یا شمال و جنوب) است در حالی که چنین بحث دوگانگی‌ای در میدان ثقلی اصلاً مطرح نیست. توجیه فیزیکی جاذبه و دافعه، از مباحث نظری بنیادی فیزیک است که هنوز در آن حوزه کارِ موفق قابل توجهی صورت نگرفته است و میدان وسیعی برای علاقه‌مندان به تحقیق در ماهیت آنها باز گذاشته شده است.