·引言·
當人們在海灘漫步時，或許能有幸目睹這樣的奇觀：海面上的云層在陽光下消退，上空突然出現(xiàn)了一座美麗又繁華的都市，都市林立的高樓大廈、寬廣的街道和川流不息的車輛，都呈現(xiàn)在眼前。當人們驚嘆于這幅美景時，它卻又隨著海風慢慢消失了。
宇宙總是具有最抽象的表現(xiàn)力，讓我們無法窺測到它的真實面貌。從眼前的大海，到頭頂?shù)男强?，它們本來的樣貌在傳達到我們的眼睛時，已經(jīng)經(jīng)歷了或多或少的變化。我們能否看到宇宙的本來面貌呢？還是說我們注定只能學會去欣賞它刻意留給我們的幻象？
1月20日，作者和五百多名觀眾一起在上?？萍拣^參加了墨子沙龍主辦的《天文·云》大會，聽取了來自清華大學的毛淑德教授關于引力透鏡的科普報告，頗有感悟。今天，作者就帶大家一起，試圖去揭開宇宙的幻覺。
作者 | 鐘郅皓
扭曲的圖像
用雙眼直接觀察是人類認識這個世界最基本的方法。物體發(fā)出或反射的光投影在人們的視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜的細胞又將信息傳遞給大腦，這樣我們就看到了物體的模樣。墨子在2500年前證實了“光沿直線傳播”，但人類在千百年來時時刻刻體驗著這一點。在日常生活中，當人看到一個物體時，人的大腦會自動確定物體位置，觀即可取。但也正因如此，人們有時候會被自己的眼睛欺騙。
最簡單的例子莫過于鉛筆放在水中時，光線在空氣和水的分界面發(fā)生折射，鉛筆看起來好像是“斷了”。海市蜃樓的原理和此類似，都是光在穿過不同介質(zhì)時發(fā)生折射產(chǎn)生的現(xiàn)象，不過光線不再是簡單地通過兩層介質(zhì)，而是密度不同的多層空氣。
圖1、鉛筆在水中“斷了”（圖片來源：網(wǎng)絡）
彎曲的時空
現(xiàn)在離開地球，在遙遠的宇宙中是否也有如此神奇的現(xiàn)象呢？答案是肯定的。1979年，英國天文學家在觀測類星體（顧名思義，就是看起來像恒星一樣的天體）時，發(fā)現(xiàn)兩個相距很近且特性幾乎相同的亮點，于是他們猜測，這兩個亮點可能是同一個類星體產(chǎn)生的兩個像。光線在宇宙中到底出了什么“事故”？竟然發(fā)生了彎曲嗎？可是廣袤的宇宙中并沒有什么介質(zhì)，可以讓光線偏折吧？這時，人們想到了愛因斯坦廣義相對論中的一個重要預言——光線偏折，以及愛因斯坦后來發(fā)表的對“引力透鏡效應”的預測。這次觀測就是人類發(fā)現(xiàn)的第一個“引力透鏡”（gravitational lensing）現(xiàn)象。什么是引力透鏡？首先我們要回到100年前，看一下愛因斯坦在廣義相對論中關于引力的解釋。
圖2、人類觀測到的第一個引力透鏡，A和B是呈的兩個像（圖片來源：wikipedia）
Gravity is geometry
（引力是一種幾何現(xiàn)象）
換言之，在廣義相對論中，引力僅僅是一種表象。任何有質(zhì)量的物體都會使周圍的時空（在相對論中，時間和空間不再相互獨立，它們統(tǒng)稱為時空）發(fā)生彎曲，其附近的物質(zhì)受到彎曲時空的影響而向它靠近，這就是引力的本質(zhì)。如果要用一句話來概括這個理論，那就是：物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動。
用下面的一幅圖來理解就更形象了：
圖3、有質(zhì)量的物體使周圍的時空彎曲（圖片來源：網(wǎng)絡）
如上圖，原本平直的時空，如果我們放一個恒星上去，它就會發(fā)生彎曲，就像在一張拉直的布上放了一個重物而發(fā)生了塌陷。這時如果另外一個質(zhì)量比較小的天體經(jīng)過附近，就會由于這張布的塌陷而繞著它轉。如果把這幅圖中的小質(zhì)量天體換成光線，我們就不難理解“光線偏折”這種現(xiàn)象了。光線偏折作為廣義相對論的一個重要預言，在1919年的日食觀測得到了驗證。
圖4、光線在引力場的作用下發(fā)生偏折（圖片來源：網(wǎng)絡）
上帝的放大鏡
既然光線在宇宙中可以偏折，那么當一個發(fā)光的天體處在另一個天體身后時，我們也有機會看到它。只不過我們看到的并不是它本來的位置，而是我們以為光線沿直線傳播的位置。這就是“引力透鏡”現(xiàn)象。如下圖中，常常呈現(xiàn)出一個前景的星系周圍有幾個亮點，有時也能觀測到這些亮點連成一個美麗的圓環(huán)，人們稱之為“愛因斯坦環(huán)”。中心的星系稱為“透鏡天體”（lens），在它背后發(fā)出光線并呈多個像的天體則稱為“源天體”（source）
圖5、引力透鏡和所呈的像（圖片來源：wikipedia）
不難想象，透鏡天體的質(zhì)量對整個引力透鏡的模樣有很直接的影響。質(zhì)量越大，其周圍時空的光線偏折也就越明顯。因此，我們可以利用引力透鏡效應來計算透鏡天體的質(zhì)量。這是引力透鏡一個很重要的應用。暗物質(zhì)也可以引起“引力透鏡”現(xiàn)象，因此還可以利用其來測量暗物質(zhì)的質(zhì)量，由此來構建暗物質(zhì)在小尺度上的結構。
另外，由于引力透鏡對光線有匯聚的作用，一些原本不該到達觀測者的光線被偏折到了觀測者的位置，所以通過引力透鏡看到的天體的像，會比它本身要更亮。這也是為什么引力透鏡如此重要的原因之一，人類可以通過它看到很遠很遠的暗的天體，就像是拿著放大鏡在宇宙這個巨大的畫布上尋找我們想要的東西。
曼德爾的故事
說到引力透鏡，還得提到一個人，那就是魯?shù)稀ぞS爾特·曼德爾(Rudi Welt Mandl)，一個在餐館洗碗打工的捷克工程師，是他的堅持迫使愛因斯坦發(fā)表了引力透鏡效應的工作。1936年的一天，他跑到普林斯頓找愛因斯坦，提出自己關于空間透鏡概念的想法，聲稱可以用來檢驗廣義相對論。愛因斯坦客氣地接見了他，并討論了這種空間透鏡的數(shù)學形式。曼德爾的想法很豐富，還涉及到光學，天體物理甚至恐龍滅絕?。ㄋJ為恐龍滅絕這件事，引力透鏡要背鍋）
圖6、愛因斯坦（右）和曼德爾（左）（圖片來源：wikipedia）
愛因斯坦也挺感興趣，然而他表示，年輕人啊，想法不錯，但我們是觀測不到這種現(xiàn)象的。一是因為透鏡現(xiàn)象發(fā)生需要透鏡和源在同一視線方向，發(fā)生這種現(xiàn)象的概率很低；二是因為望遠鏡分辨率不夠，即便發(fā)生了這種現(xiàn)象可能也分辨不出來。還有啊，恐龍滅絕這件事就不要再提了，這種不靠譜的推測，以后會被學術界的笑話的。之后，愛因斯坦好像就把這件事給忘了，幾個月沒有給曼德爾回信。不過，曼德爾沒有放棄，他通過科學服務部門詢問愛因斯坦，這樣，愛因斯坦終于發(fā)表了空間透鏡的工作。但他致信科學雜志的編輯：“謝謝您幫忙發(fā)表這篇小文章，這篇文章是曼德爾先生從我這里榨取出來的。它幾乎沒有什么價值，但它會讓這個可憐的家伙感到高興?！?/p>
事實上，根據(jù)愛因斯坦的手稿，他在1912年就已經(jīng)推導出了引力透鏡現(xiàn)象的數(shù)學形式，但，他忘了。是曼德爾的想法以及他對發(fā)表此種想法的迫切渴望，使引力透鏡的的理論更早地展示在公眾面前。后來，我們知道，愛因斯坦的結論是對的，單獨恒星產(chǎn)生的引力透鏡效應或許太弱而觀測不到，但他忽略了恒星不是唯一能導致光線彎曲的天體，包含千億顆恒星的大質(zhì)量星系造成的引力透鏡是有可能觀測到的。
圖：愛因斯坦關于引力透鏡的論文
尋找宇宙的幻象
現(xiàn)在我們知道，引力透鏡最明顯的表現(xiàn)就是同一個天體成了多個像，同時它們會圍著一個大質(zhì)量天體（通常是星系）分布，而且這種現(xiàn)象對我們的觀測非常有用。那么我們該如何去找到更多的引力透鏡現(xiàn)象呢？畢竟當我們用大口徑的望遠鏡向宇宙深處看去時，密密麻麻的亮點遍布了整個視野，該如何分辨哪些亮點是引力透鏡現(xiàn)象，或者說，怎么確認哪幾個亮點是來自于同一個天體呢？
科學家們從身邊獲得了靈感，那就是彩虹。我們知道，單色的太陽光里包含了各種波長的光線，被空中的小水滴折/反射之后，發(fā)生了色散，不同波長的光就被分解出來了，它可以反映太陽光的特性。我們把這種光經(jīng)過色散后呈現(xiàn)出的流量和波長的聯(lián)系稱為光譜，它也是目前為止天文學家們研究宇宙的最重要的途徑。光譜就像光的指紋，獨一無二。
圖7、雨后的彩虹，就像太陽光的指紋
同理，發(fā)光天體應該擁有它自己的指紋，也就是擁有特定的光譜，如果圍繞著一個中心天體分布的幾個亮點具有相同的光譜，則有可能是同一個天體的呈像。也就是說，很可能是一個引力透鏡現(xiàn)象。當然，透鏡天體需要處于觀測者和源天體中間，并且要在同一條直線上。
我們來看看1979年觀測到的第一個引力透鏡現(xiàn)象，在圖像中可以看到兩個亮點，這兩個亮點的光譜分解后幾乎一樣（上下兩條曲線的波形幾乎一致），這是人類在星系中發(fā)現(xiàn)引力透鏡的一個主要手段。
圖8、類星體0957+561的兩個像的光譜，橫坐標是波長，縱坐標是流量
之前我們提到，愛因斯坦之所以認為引力透鏡場效應觀測不到，是因為他只考慮了恒星范圍，那么恒星和行星這一類天體的引力比較小，造成的引力透鏡現(xiàn)象也弱了很多，但我們真的觀測不到嗎？這里，愛因斯坦忽略了另一個現(xiàn)象，就是天體總在運動。
我們已經(jīng)知道，引力透鏡會使源天體看起來更亮。所以當一顆行星經(jīng)過我們和恒星之間時，如果發(fā)生引力透鏡現(xiàn)象，這顆恒星的亮度可能會比平時看上去更亮，但當此行星遠離我們和恒星的連接方向，就會開始變暗。利用這種亮度變化在恒星范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)引力透鏡，是一個非常好的方法。1993年，科學家觀測到在大麥哲倫星系中的一顆恒星光度增加，并認為是一個引力透鏡現(xiàn)象，稱之為“微引力透鏡”，這也是人類觀測到的第一個 “微引力透鏡”現(xiàn)象。
圖9、微引力透鏡（圖片來源：wikipedia）
