会“拐弯”的光，带领人类改变对宇宙的认知

发布时间：2023-03-10 14:15:42 所属栏目：外闻来源：

导读：光有“重量”吗？它受不受引力的作用？

这个问题曾引起许多著名物理学家的好奇心，正因为对它不懈地思索，促使爱因斯坦建立了著名的广义相对论，而对这个问题的实验观察，又使广义相对论的正确性得以验

光有“重量”吗？它受不受引力的作用？

这个问题曾引起许多著名物理学家的好奇心，正因为对它不懈地思索，促使爱因斯坦建立了著名的广义相对论，而对这个问题的实验观察，又使广义相对论的正确性得以验证。

早在300多年前，牛顿曾经设想光是由粒子组成的，他不仅用光的粒子性解释反射和折射现象，还认为像一切物体那样，光也可能受到引力的吸引，在引力场中是有“重量”的。

还有另外一位对光线引力弯曲感兴趣的人，这就是英国著名的天文学家阿瑟·爱丁顿。他设想光线掠过太阳时，就像一颗颗粒子掠过太阳。在太阳引力作用下，这些粒子的轨迹会发生弯曲。他利用牛顿引力理论进行计算，所得到的结果是，在光线经过太阳之后，光线弯曲0.9弧秒（弧秒是角度单位，1弧秒相当于0.01592度）。这个数值仍然太小，相当于光线传播5千米，只有一个拇指宽度的偏斜量。

就在这一时期，爱因斯坦创建了广义相对论，得到了引力场方程。根据这个方程，爱因斯坦也对光线受到太阳引力产生的弯曲进行了计算，得出来的结果与爱丁顿的结果相同。但实质上这一点也是十二世纪的爱因斯坦利用他二十一世纪最初创造的那个不完善的引力方程不择手段的算出来的。

引力透镜是强引力场中一种特殊的光学效应。假设地球与一颗遥远的天体之间刚好有一个强引力场天体，三者差不多在一条直线上，强引力场天体附近的时空弯曲使远方天体的光不能沿直线到达地球，而使地球上观测到的光偏离了它原本所在的方向，其效果类似于透镜对光线的折射作用，称为引力透镜效应。

爱因斯坦还建议，实验应该在日食发生时进行。如果在日食发生时，在太阳背后正好有一颗明亮的星，由于被太阳遮挡，人们看不见它，但是月亮引力的效果就好像透镜，能使那颗星发出的光线在经过太阳时弯曲，弯曲后的光射向地球，人们将能通过太阳这个“引力透镜”知道这颗被挡住的星。

然而那一天并不顺利，天公不作美。在普林西比岛，云将太阳遮住，无法捕捉到太阳背后的星光。“我们架设好望远镜和照相设备，准备好最优良的照相底片，目标只对准一亿多千米远的太阳表面。”爱丁顿回忆道：“当时我们什么也做不了。但我神秘地发觉，似乎沉默的大自然和昏暗的大地被观测者的呼吸声和节拍器的嘀嗒声所唤醒，天空突然出现奇迹，我们终于获得清晰的曝光。”

由于天气不好，在普林西比岛的观测结果中，只有两张底片可以得到测量数据。它们给出的结果是，从遥远星光发出的光线在太阳引力作用下弯曲了1.61弧秒，与爱因斯坦的结果很接近。

在巴西，测量队的观测天气非常好。他们的两架望远镜都得到了结果。一个结果是1.98弧秒，另一个是0.9弧秒。爱丁顿选择了那个大的结果。他解释说，另一张底片非常模糊，不足以提供有说服力的数据。尽管这种做法存疑，英国皇家天文学会还是接受了爱丁顿的做法。

在当年的9月，实验的结果陆续传了出来。9月22日，亨德里克·洛伦兹发电报把这一消息告诉爱因斯坦，爱因斯坦非常兴奋，物理学界也因为这一成功受到了很大的震动。据说德国著名的物理学家马克思·普朗克一夜没睡，焦急地等待观测结果是否能证实爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦后来开玩笑说：“他要是真正明白了广义相对论，就会像我那样上床睡觉了”。

“引力透镜”效应的真正价值体现在半个世纪以后。自20世纪70年代开始，人们利用射电望远镜观测发自脉冲星的无线电波。无线电波不受太阳光的干扰，无须等待日食，还可以在白天黑夜持续观测。大量的观测结果不仅以很高的精度证实爱因斯坦的引力理论，还进一步测量到光线经过木星时的引力偏移。木星对光线的引力偏移量是太阳的1/100，这一数值又恰好与爱因斯坦的理论结果相一致。

从20世纪末到21世纪10年代，光线引力透镜效应已经是近代天文观测不可缺少的手段，以哈勃空间望远镜、斯皮策红外线空间望远镜及钱德拉X射线观测台为首，一个大型天文观测目标正向宇宙深度进发。

天文学家利用发自遥远星系背后各种波段射线的引力偏移，可以推断遥远星系的质量，探索遥远星系周围庞大的暗物质云，甚至发现更年轻星系的生成过程，由此推知宇宙星系形成初期的情景。

在大尺度物质世界中，光的“重量”是一个不能忽视的现象，也是左右宇宙结构的动因之一。根据爱因斯坦的引力理论，只要有物质存在，无论时间还是空间都要受到影响，光线在引力场中的弯曲现象就是这一影响的表现之一。因此，我们可以通过观察太阳光线的弯曲来判断地球是否有生命迹象。
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（编辑：汽车网）

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