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今天我們將送出三本由圖靈出版社提供的優質科普書籍《引力是什麼》。
引力是宇宙中處於支配地位的力，與天體、生命的誕生息息相關，迷影重重的引力也是解開宇宙謎題的關鍵鑰匙。經過牛頓、愛因斯坦，引力研究正迎來第三個黃金時期。
《引力是什麼》這本書以新穎有趣的形式講解了從牛頓、愛因斯坦到前沿物理的研究內容，用全新的方式解讀相對論、量子理論、超弦理論。真正讓你理解引力、引力波、E=mc2 、黑洞等概念的含義與意義，也能讓你體驗到追尋宇宙深層謎題的冒險快感。
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【互動問答示例】
互動：
這裡就可以自由發揮你的答案啦~作者：Marianne Freiberger&Rachel Thomas
翻譯：Nothing
審校：loulou
你一定知道薛定諤和海森堡對量子物理做出的貢獻，但是你知道狄拉克在量子物理中做出了什麼跨時代的工作嗎？你知道場的概念是怎樣進入量子物理的嗎？
磁鐵附近的鐵屑按照磁感線的方向排列。
你是否記得當你把鐵屑灑在磁鐵附近時磁感線會突然顯現出來？在這種情況下磁鐵產生的是靜磁場，它不隨時間改變。磁場只是另一個更加廣泛的概念的一部分，我們稱之為電磁場。你時刻處於地球、太陽、甚至烤箱產生的電磁場中。電磁場的波動被稱為電磁波—正是這些電磁波組成了可見光、無線電波、x射線和微波。當它們在空間中攜帶著能量穿梭的時候，你無時無刻不被它們轟擊。
1864年，麥克斯韋意識到，電場和磁場是一個硬幣的兩面，而光就是電磁波。他發展出一套優美的理論來描述電磁力並且用一套方程來描述電磁場的動力學性質，這套方程現在叫做麥克斯韋方程組。
更一般的，場成為物理學中重要的概念是因為它清除了一個困擾物理學家很久的難題。如果你考慮一個力，像兩個物體之間的電磁力或者引力，你不得不承認它們可以在空間中以無窮大的速度傳播，這個想法似乎太不可思議了。如果從另一方面來看，你認為物體在它的附近產生場，然後你可以解釋和場相關的力並不是直接從遠處作用，而是由物體附近的場作用在物體身上。一旦場被產生，它就擁有自己的生命，它會攜帶能量向遠處傳播。1916年，愛因斯坦在廣義相對論中意識到這個想法，在廣義相對論中他使用大質量天體的引力場描述引力。
在愛因斯坦掀起引力革命的幾十年前，另一場革命在麥克斯韋的電磁理論中出現了。20世紀初，我們已經清楚光並不總是表現的像波：在特定環境中，光更像一束粒子流，這種粒子被稱為光子。這是愛因斯坦看到光電效應後意識到的事情。這個想法受到德布羅意關於像電子這種微小粒子即會表現得像波也會表現得像粒子的想法的影響。波粒二象性後來被看做物理學的基本特點它也是量子力學的核心觀點。
激發光子
在1925年左右，代表著新物理學的量子力學被薛定諤和海森堡各自獨立的發現。他們相互等價的理論可以描述自由電子的運動也可以描述勢場中的電子的運動。下一步就是從量子力學的視角重新審視描述電磁場的麥克斯韋方程組。
正電荷附近電場示意圖
這是非常困難的任務：有限數量的粒子集合可以用有限的信息描述，但是對於場來說，它填充在一個無數點組成的空間中，描述它需要無窮多的信息。在麥克斯韋最初的公式裡，場中的每個點都被兩個箭頭描述，它們描述的是作用在那個位置上測試粒子上的兩個力（電和磁），箭頭的長度正比於力的大小。麥克斯韋方程組描述了箭頭怎樣隨時間變化。按照量子化的觀點，這些箭頭應該被更加複雜的數學概念所代替，它們隨時間的變化也需要更復雜的公式。
在1927年泡利深刻的洞察力發揮作用之前，人們對於如何修改麥克斯韋方程組只有種種猜測。他想象一個與物質無關的電磁場。麥克斯韋方程組表明這個場隨著電磁波在運動。就像聲波可以被分解成簡諧波，這些波也可以通過傅里葉分析分解成sin函數的形式。
這些波的振動就像單擺或者彈簧上的物體那樣振動：物體受到的力和它相對對平衡位置的偏移量成正比且指向平衡位置。這種系統被稱為簡諧振子。幸運的是，物理學家知道怎樣用量子力學處理這樣的振動。狄拉克通過將電磁場進行分解並結合薛定諤方程將電磁場進行量子化。
薛定諤方程對簡諧振子的處理得到了很多新奇的結果。一個經典簡諧振子，如單擺，中儲存的能量不隨時間改變：如果我們看到單擺越擺越低，只是因為有摩擦力的存在。一個理想的單擺會在你推動之後永遠擺下去。你也許會想，你可以將任何大小的能量傳遞個單擺系統。但是，對於量子的諧振子並不是這樣：它的能量只能取和頻率相關的分立的值
其中，ω是振子的角頻率，h 是普朗克常數。最重要的特徵是能量只能取特定的分立值而不能取中間值。
奇怪的是，系統的最低能量態也就是基態，並不是沒有能量：一個量子諧振子永遠不會停下來。
在電磁學中，分立的能級反映了波粒二象性。一個經典波攜帶的能量可以連續的變化，但是量子化的電磁場的簡諧分量只允許分立的能量包。這些包可以被看做是一個個光子：一個對應能級為的波相當於n個具有特定頻率的光子。還有一種說法是，一個光子可以被看做場的一個“元激發”。它就像是光子果凍的振動，振動具有精確的能量。
重要事項
狄拉克的貢獻是令人驚歎的，但是他的理論還只能應用於真空中的電磁場。如果要研究粒子和電磁場相互作用或者產生電磁場的情形應該怎麼做？薛定諤和海森堡的理論可以表述粒子的運動，但是他們沒有考慮愛因斯坦的狹義相對論。相對論描述了物體運動速度接近光速時的情形，也就是說，光子的速度。因為電磁場和光子相關，所以我們處理問題時不能忽略相對論效應。
1927年第五屆索爾維會議
我們需要新的方程來結合量子力學和相對論，這個問題仍然是被狄拉克解決的。他的公式和光子圖像形成了協同作用。狄拉克的方程的解仍然是波，但它可以被分解成諧振子並進一步量子化，就像對待光子那樣。由於狄拉克方程解出的狄拉克場可以描述電子的行為，所以電子可以像光子那樣被看成是場的元激發：它不是波也不是粒子。
狄拉克的公式還給出了更多的真實的物理性質，如自旋，一種特殊的角動量。為此，狄拉克不得不引入比之前多一倍的解。這些多出來的解意味著什麼？狄拉克預言他們描述了一種電子的孿生粒子，我們稱之為反電子或者正電子，它具有和電子相同的質量相反的電荷。當電子和反電子相遇時，就會相互湮滅產生不帶電的光子。在狄拉克預言正電子後不久，實驗中就觀察到了正電子存在的證據。實際上，後來發現許多基本粒子都有自己的反粒子。我們的自然將粒子和反粒子同等看待，從這個角度看，應該由相同數量的粒子和反粒子，但是事實上並不是這個樣子。粒子和反粒子的個數為什麼不同還是一個未解之謎。
預備，預備，嗶~嗶
狄拉克的工作表明我們急切需要量子電動力學的完整理論。它將電子和光子都視為量子場的元激發，所以它可以描述電子和光子之間的相互作用：光如何與自己相互作用以及光如何被物質散射。但是還有一個關鍵問題沒有解決。物理學家關注的關鍵問題就是計算中的無窮大問題。一定有哪裡出錯了。
原文鏈接：
互動問題
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