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url:http://m.gmw.cn/2018-01/24/content_27441168.htm,id:27441168 作者：王铮 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室 “引力透镜”，是光在引力作用下弯曲从而汇聚成像的效应，在现代天文学观测中应用非常广泛。这一原理的逐步认识、发展和应用，经历了一个漫长而有趣的过程。 图中的弧线是引力透镜效应下的现象 1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻（Pierre Gassendi）提出物体是由大量坚硬粒子组成的。后来，他关于微粒的思想越发深化，在1660年出版的他所著的书中谈到，他认为光也是由大量坚硬粒子组成的。 1670年到1672年，还不到30岁的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）负责讲授光学，并对光做了很多研究，例如用三棱镜发现白光的彩色光谱。在1675年的著作《解释光属性的假说》（Hypothesis Explaining the Properties ofLight）中，牛顿提出光是从光源发出的一种物质微粒，就像由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说；光在均匀媒质中以一定的速度直线传播；他假定了以太的存在，认为粒子间力的传递是透过以太进行的。后来牛顿回归力学，发表了牛顿三定律和万有引力定律的重大成果。1704年，牛顿著成《光学》（Opticks），系统阐述他在光学方面的研究成果，其中他详述了光的粒子理论，并提出大质量物体可能会像弯曲其他有质量粒子的轨迹一样，使光线发生弯曲。
光的微粒说（左）和波动说（右） 1783年，光的微粒说正是时髦的时代，约翰·米歇尔（John Michell）认为万有引力会像吸引普通物质一样影响光，他在论证星球逃逸速度的时候，也提出了星球质量足够大时光无法逃出，这也是“黑洞”理念的雏形。后来法国天体力学家拉普拉斯（Pierre Laplace）也推导了类似的结论。 受这些想法启发，1803年，德国慕尼黑天文台的索德纳（Johann von Soldner，1766-1833）根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折（角秒是角度的单位，是“度”的3600分之一）。光的粒子可以类比成彗星，从太阳边缘飞过时受太阳吸引轻微改变方向，根据太阳质量、半径和光速等等，就能估计光线所转过的角度。 我们现在回看这些理论，可以得到一个结论，那就是天体的引力可以促使遥远星球的光偏转，从而能使我们看到被挡住的天体，并且反映提供引力、充当“透镜”的天体的质量特征。但这种想法直到100多年后才被发现其价值，原因我们接下来继续讲。
索德纳结算的公式 示意图 索德纳的工作在德国的天文学期刊发表，但被很快的遗忘，主要原因有两点：1、以当时天文测量仪器的能力无法检测出0.875角秒这么小的角度；2、18世纪和19世纪，随着光衍射等现象的相继发现，光微粒说已经不流行，学术界逐渐开始广泛认同光的波动学说，而在波动学说里光是不会因为引力场偏转的。 时间来到1907年，爱因斯坦（Albert.Einstein）从引力场的等效原理（重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的）角度思考引力场中光线会偏转。1911年他提出广义相对论，而利用等效原理简单推算预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折，这一推算仍然有很大的经典力学痕迹，结果0.875角秒也与之前牛顿力学基本一致。
引力场的等效原理示意图，加速下落的电梯中从左向右的光线： （a）坐在电梯里看光线直线传播 （b）在电梯之外看光线是弯曲的 爱因斯坦指出日食期间，被太阳挡住的远方的星星能被观测到，可以检验光线弯曲的效应。但在当时，0.875角秒的偏差依然没法用仪器检验出来，爱因斯坦的提案被暂时搁置，而这竟然变成了一种幸运。 1912年，回到苏黎世的爱因斯坦开始更深入的推演和思考自己理论中出现的空间的弯曲。1915年，爱因斯坦完善了广义相对论。他意识到太阳附近的时空因为其巨大的质量而弯曲，经过太阳边缘的光线应该沿着时空最短距离的线前进，要比简单用引力场的等效原理算出来的偏转更大。他推算的新的偏转是约1.74角秒，比原先的结果——特别是比牛顿力学的结果——大一倍。这个结果虽然仍然很小，但以当时的探测精度已经变得“可以测量”。
空间弯曲与光线弯曲 第一次世界大战之后，英国物理学家爱丁顿（Arthur Eddington）说动了英国政府资助在1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测。英国人组织了两个观测远征队，一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral）；另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe），爱丁顿自己参加了这一队。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.98″±0.12″；普林西比队的结果是1.61″±0.30″。据此，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。这也成为历史上爱因斯坦广义相对论的重大验证试验。 不过，观测结果后来受到越来越多的质疑，测量的误差实际上非常大，很大程度上爱丁顿等人是有意往爱因斯坦的结果靠拢。不过，时至今日，越来越多更加精密的观测证实，广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测。
爱丁顿等人在日食期间测量光线弯曲 那么，从牛顿力学到广义相对论，人们终于以更加符合自然现象的观点，认识了光线会在引力场中弯曲的事实。在鲁迪·维尔特·曼德尔（Rudi Welt Mandl）的坚持下，爱因斯坦于1936年12月4日在《科学》（Science）杂志上发表了一篇简短的文章，题为《恒星引力场偏折光线的类透镜行为》（Lens-Like Action of a Star by the Deviationof Light in the Gravitational Field），这也是为什么现在我们管这种现象叫“引力透镜”。 不过，经历了弯折光线角度的争论与检验，爱因斯坦本人深知这种小的角度很难测量，因此他自己对“引力透镜”并不很重视——他甚至在给编辑的信里说自己的文章发表是在安慰曼德尔。然而1937年2月15日，天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在《物理学评论》（Physical Review）上发表了一篇文章，题为《作为引力透镜的星云》（Nebulae as Gravitational Lenses），指出如果考虑星系而非恒星，每一个星系都有上亿甚至上千亿颗恒星，其巨大的质量所产生的引力透镜效应是更有可能被观测到的。
兹威基认为也许星云是观测引力透镜效应的更好对象 引力透镜本质上就相当于太空中的一块巨大的放大镜，弯曲和放大了更遥远天体所发出的光线。在引力透镜中，一个遥远的星系发出的光线可以被一个位于视线中间的星系扭曲成一道光弧或者几个分离的影像。当两个星系完全连成一线的时候，这些光线就会形成一个如眼的图案，包围着前景星系，这就是所谓的“爱因斯坦环”。 而引力透镜的一大重要意义就是观测“暗物质”。星系庞大的暗物质虽然看不见，但确实有质量，约占宇宙质量的85%。通过观察和分析来自更遥远星系的光线在这些暗物质引力透镜下的弯曲效果，就能分析这些暗物质的存在和质量分布。 哈勃空间望远镜观测的“爱因斯坦环” 当今，引力透镜效应在天文观测中起到了很大的作用。科学家们不需要知道星系的种类、形成、行为、光的颜色和亮度，只需要通过测量一片天空中的透镜数量和特征，就能获知质量信息。因此，引力透镜依赖的假设或近似很少，是一个非常干净和可靠的宇宙学探测器。 作者：王铮 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室 国家空间科学中心 作者:王铮 版权声明：如涉及版权问题，请作者持权属证明与本网联系 来源： 国家空间科学中心 |
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