光不但会“拐弯”,还带领人类刷新了对宇宙的认知?

来源: 原点阅读

发布日期: 2021-06-03 11:47:01

本文详细介绍了光在引力作用下的弯曲现象,以及这一现象如何促使爱因斯坦建立广义相对论,并通过实验验证了其理论的正确性。文章还讨论了这一现象对现代天文学的影响,以及它在探索宇宙结构和暗物质中的应用。

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。“光的重量”问题还涉及现代天文学对星系及星系团的探索问题,甚至改变了人类对物质,乃至对整个宇宙结构的认识。

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。牛顿1704年,牛顿在他的《光学》一书中写道:“物体能隔着一段距离对光有作用吗?这种作用会不会使光线弯曲?当距离最小时,这种作用也最强吗?”虽然牛顿没有进一步计算,但这一席话激起了人们对这一问题的兴趣。

1801年,德国天文学家约翰·索德纳做了详细的计算,他得出光线在太阳引力作用下的弯曲量,可是这个量实在太小,以致在当时找不到足够精确的仪器,也没有那么精良的照相设备,验证这个结果几乎是不可能的,因而没有引起人们的注意。

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,就像一颗颗光粒子掠过太阳。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。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。但这是爱因斯坦利用他最初那个不完善的引力方程算出来的。当爱因斯坦完善了他的引力场方程后,所计算出来的光线弯曲量比原来增大了一倍,也就是1.8弧秒。他建议天文学界对这一现象进行实地测量。仿效牛顿,他也把这个观测叫做“光线称重”的实验。

爱因斯坦是一位具有非凡想象力的人,这个“光线称重”实验设计得非常巧妙,他把实验室搬到天空,实验器械就是星球,这样能展示出引力对光线弯曲的巨大威力。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像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,人们看不到它,但是太阳引力的作用就好像透镜,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”看到这颗被挡住的星。1917年,正在英国剑桥的爱丁顿注意到爱因斯坦的建议,他立刻意识到这一实验的重要价值。

爱丁顿是一位杰出的天文学家,不仅谙熟物理,对数学也很精通,当世界上绝大多数物理学家还不能读懂爱因斯坦的理论时,他很快能读懂,更洞见出这一理论在物理学和天文学中的重要价值。特别是当他得知,爱因斯坦计算出太阳引力弯曲值是他计算值的两倍时,立刻意识到这个数据将是爱因斯坦对牛顿的挑战,验证这个值,恰好能在两个引力理论中,鉴别哪一个是正确的。

1919年5月29日日食发生的当天,测量队架设好天文望远镜和照相设备,一次举世瞩目的天文学壮举就这样开始了。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。尽管如此,爱丁顿和他的团队仍然坚持观测,最终获得了一些有价值的数据。

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。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。

1919年11月6日,英国皇家天文学会在伦敦举行盛大庆典,爱因斯坦的理论被证实的消息正式公之于众。英国皇家学会会长,诺贝尔奖得主J.J.汤姆森庄重地指出,这是“人类思想史上最伟大的成就之一”。

“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。

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