1.13: Chembe thabiti

Nyumbani ／ Sura ya 1: Nadharia ya Nyuzinyuzi za Nishati

Utangulizi
Chembe thabiti si “kijibonge kigumu”. Ni muundo wa kudumu unaojitokeza pale nyuzi za nishati zinapokuwa zimepangwa, kufungwa katika kitanzi na “kufungwa kwa kufuli” ndani ya bahari ya nishati. Hivyo chembe hudumisha umbo na sifa zake kwa muda mrefu licha ya msukosuko. Kwa upande wa nje huendelea kuvuta bahari ya nishati iliyo jirani (hudhirika kuwa misa), na kwa mwelekeo wake huacha mpangilio wenye mwelekeo wa nyuzi katika ujirani (hudhirika kuwa chaji ya umeme/momenti ya sumaku). Tofauti kuu na chembe isiyo thabiti ni hitimizo la kufungwa kikamilifu kijiometri, msaada wa kutosha wa mvutano, kuzuia njia za kubadilishia nishati ndani–nje, na mapigo ya ndani yaliyo sawia na yenye kujitosheleza.

I. Inajitokezaje (inapopitia “uchujaji” kutoka majaribio mengi yaliyofeli)

• Ugavi: Pale tu msongamano wa bahari unapokuwa wa juu vya kutosha ndipo kunapopatikana “malighafi” ya kufuma nyuzi na kujaribu mara nyingi kwa mtindo wa jaribio–makosa.
• Kufuma—kufunga: Nyuzi nyingi za nishati hupinda, kutandikwa na kuunganishwa kwa ndoano juu ya umbo linalofaa la anga, zikiunda vitanzi vilivyofungwa na mshikizo wa mifupa uliosukamana.
• Kukaza na kufuli: Mvutano wa usuli huikaza kifurushi chote, hivyo misukosuko ya ndani huzunguka katika njia ilyofungwa badala ya kuvuja nje.
• Uteuzi: Miundo mingi husambaratika upesi (huzaa chembe zisizo thabiti). Ni michache tu huvuka vizingiti vya jiometri na mvutano na kubaki ikijibeba yenyewe. Kwa maneno mengine, chembe thabiti ni suluhu ya jiometri–mvutano iliyo nusurika kutoka bahari ya majaribio ya muda mfupi.

Kwa takwimu, uwezekano wa msukosuko usio thabiti kugeuka kuwa chembe thabiti ni takribani 10⁻⁶² ~ 10⁻⁴⁴ (taz. Sehemu 4.1). Hivyo, kuzaliwa kwa kila chembe thabiti ni tukio la nasibu baada ya idadi isiyohesabika ya kushindikana. Hili lafafanua uhaba wake na pia utu wa kiasili wa uwepo wake.

II. Kwa nini hubaki thabiti (masharti manne—yakikosekana hata moja, uthabiti hutetereka)

• Kufungwa kijiometri: Vitanzi vya kurejea na nuktandano huhakikisha nishati inakimbia ndani badala ya kutiririka moja kwa moja nje.
• Msaada wa mvutano: Mvuto wa usuli huiweka miundo juu ya kizingiti, hivyo misukosuko midogo haifanikiwi kuibamiza ifunguke.
• Kukomesha mianya ya uvujaji: “Midomo ya kutolea” nje hupunguzwa hadi chini; mzunguko wa ndani huchukua nafasi kuu.
• Mpigo unaojitosheleza: Huwepo “mzunguko wa moyo” wa ndani ulio thabiti, unao lingana kwa muda mrefu na mpigo rejea wa mvutano wa usuli.

Masharti yote yakitimia kwa pamoja, chembe huingia katika hali ya muda mrefu inayobebwa na muundo wake wenyewe. Sharti moja likidhoofika (msukumo mkali, mabadiliko ya ghafla ya mvutano), kiunzi hulegea na chembe huteleza kuelekea “uvunjaji wa muundo—utoaji wa vifurushi vya mawimbi” kama ilivyo katika Sehemu 1.10.

III. Sifa kuu ilizonazo (huchipuka kutoka kwenye muundo)

• Misa: Kifurushi thabiti huvuta bahari iliyo jirani kupitia mvutano, na hudhihirika kama inertia na uwezo wa “kuongoza mikondo”. Misa kubwa inaashiria kifundo kilichokazwa zaidi, kiunzi imara zaidi, na uundaji wa nje ulio kina.
• Chaji ya umeme: Kutokilingana kwa mwelekeo ndani huacha nje upendeleo wenye mwelekeo wa mpangilio — hii ndiyo kiini cha chaji. Upendeleo kutoka mielekeo tofauti hujilundika, na katika skeli kubwa huzalisha mvutano wa kuvutana/kusukumana.
• Momenti ya sumaku na “mzunguko” (spini): Muundo ulioelekezwa unapokamilisha mzunguko kuzunguka mhimili kwa muda (kwa “spini” ya ndani au mvutio wa pembeni kutokana na mwendo), huibuka hali ya mduara wa mwelekeo kandokando — uwanda wa sumaku na momenti ya sumaku.
• Mistari ya spektra na “mpigo”: Vitanzi vya ndani vinaweza kuakibisha kwa uthabiti katika mkusanyiko ulio na idadi finyu ya midundo, vinavyojitokeza kama alama bainifu za unyonyaji/utoaji.
• Ushikamano na skeli: Eneo la anga–muda ambamo awamu hubaki imepangika huamua kama chembe inaweza “kuimba kwa pamoja” na kiwango chake cha uendeshanomuda (compatibility) wa midundo na nyingine.

IV. Mwingiliano na mazingira (mvutano hutoa mwelekeo, msongamano hutoa riziki)

• Kufuata mteremko wa mvutano: Ndani ya mwaliko wa mvutano, chembe thabiti na zisizo thabiti huvutwa kuelekea upande “ulio kaza zaidi” (taz. Sehemu 1.6).
• Mpigo hubadilika kwa mvutano: Mvutano wa usuli ukiwa juu, mpigo wa ndani hupungua mwendo; ukiwa chini, mpigo huwia mwepesi na wa kasi (taz. Sehemu 1.7: “Mvutano huamua midundo”).
• Uunganishi kupitia mwelekeo: Chembe zenye chaji au momenti ya sumaku huunganika na nyingine kupitia mpangilio wenye mwelekeo wa nyuzi katika ujirani, na hutokeza kuvutwa/kusukumwa kunakopendelea mwelekeo pamoja na momeni za nguvu.
• Kubadilishana na vifurushi vya mawimbi: Zinaposisimuliwa au kupoteza mizani, chembe thabiti hutuma vifurushi vya msukosuko vyenye sifa bainifu (kwa mfano nuru). Kinyume chake, vifurushi vinavyofaa vinaweza kunyonywa ili kurekebisha au kurukisha ngazi katika vitanzi vya ndani.

V. “Mzunguko wa maisha” kwa muhtasari

Uundaji → Awamu thabiti → Mabadilishano & miruko ya ngazi → Mshtuko/marekebisho → Uvunjaji au kufungwa upya.

Chembe thabiti nyingi zinaweza kudumu “kwa muda mrefu sana” katika mizani ya muda inayoweza kuangaliwa. Hata hivyo, katika matukio makali au mazingira ya kupindukia, yaweza kutokea:

• Kupotea kwa uthabiti: Muundo huteleka, nyuzi hufunguka na kurudi baharini, na nishati pamoja na mpigo hutupwa nje kama vifurushi vya mawimbi;
• Mgeuko: Kuhamia suluhu nyingine ya jiometri–mvutano huku kujibeba kikiendelea (yaani miruko ya ngazi ndani ya “familia” ileile).

Uangamizaji wa wawili (kwa mfano elektroni na pozitroni) waweza kufahamika hivi: miundo miwili iliyo kinyume kwa kioo huteleka ndoano katika eneo la mguso, kisha hutolea kwa usafi nishati ya mvutano iliyofungwa kama mkusanyiko wa vifurushi vya mawimbi vyenye tabia bainifu, na kifundo cha nyuzi hurudi kwenye bahari ya nishati.

VI. Mgao wa majukumu dhidi ya Sehemu 1.10 (thabiti dhidi ya zisizo thabiti)

• Chembe zisizo thabiti: Maishakribu, nyingi, huibuka kila mahali. Katika uhai wake mfupi huipa bahari ya nishati “mkunjo wa manyunyizo” wa mvutano; baada ya kusawazishwa kwa takwimu, hili huunda mandharinyuma ya uvutano katika skeli kubwa. Wakati wa uvunjaji, vifurushi visivyo vya kawaida vya mawimbi hutengeneza kelele za mandharinyuma za nishati.
• Chembe thabiti: Zinadumu, zinaweza kutajwa, hupimika kwa kurudiarudia. Huunda sura ya tisi la kila siku na kupitia mwelekeo na vitanzi, huandaa ugumu wa umeme-sumaku na sayansi ya kemia. Pamoja hufuma mtandao mmoja wa mvutano: kelele za mandharinyuma hutoa msitari msingi, uthabiti hujenga kiunzi.

VII. Kwa muhtasari

• Chembe thabiti ni muundo unaojibeba, ambamo nyuzi za nishati zimefungwa na kufungwa kwa kufuli ndani ya bahari ya nishati.
• Misa, chaji, momenti ya sumaku na mistari ya spektra vyote huchipuka kutoka upangaji wa jiometri–mvutano.
• Chembe thabiti na zisizo thabiti hushona pamoja ulimwengu unaoonekana: za kwanza huunda kiunzi, za pili hutoa mandharinyuma.