什么是引力透镜效应？奇妙的爱因斯坦环，让你看到真实的时空弯曲

引力透镜是爱因斯坦时空弯曲理论推导出来的一个结论，也是一个预言。许多人对时空弯曲理论嗤之以鼻，认为这种看不见摸不着的东西是科学家们凭想象随意揣测的。

引力透镜的发现，给这些人扇了一个大嘴巴子。因为引力透镜效应可以直观地让人们看到时空弯曲的真相，让这个无影无踪的时空弯曲现了形。

何谓引力透镜效应

时空弯曲理论认为，质量会导致周边时空形成弯曲，质量越大，距离质点越近，形成的时空弯曲就越厉害。这种弯曲的时空远处看不见摸不着，但当物体靠近这些大质量天体时，就会被弯曲的时空改变，有被拉扯靠近的趋势，并顺着其曲率运动，这种现象以引力形式表现出来。

这个理论完美解释了万有引力的根源，与之相对应的引力场论在万有引力基础上，修正了牛顿经典力学的一些错误和误差，对天体运动和航空航天的计算更为精确。

早在1911年，爱因斯坦就提出，由于大质量天体对周边时空造成弯曲，远方恒星的光线，掠过太阳表面时会发生微小的偏转。1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，进一步系统阐述了时空弯曲理论。

爱因斯坦的理论惊世骇俗，在科学界引起了强烈反响。为了验证爱因斯坦时空弯曲理论，英国天文学家爱丁顿率领一支远征队，不远千里特意赶到非洲普林西比岛最佳日全食观测点。1919年5月25日，在日全食状态下，观测到了远方星光经过太阳附近，发生了1.75"的偏转。

由此验证了爱因斯坦广义相对论预言：物质决定时空的形状，质量扭曲时空表现出来的引力现象，使光线发生弯曲。在宇宙中，前置大质量天体能够增亮视线背景星系或扭曲其图像，原理类似光学透镜的作用，因而称为引力透镜效应。

引力透镜效应一般由三个条件构成，即观测者、前置天体、被观测背景天体。观测者当然是我们地球人类，通过太空望远镜等设施对宇宙天体进行观测；前置天体，就是隔在被观测背景天体与观测者中间的透引力源天体；被观测背景天体就是光线经过引力透镜被人类观测到的远方天体。

通过观测这些穿越引力透镜的光源，就能知道这个透镜的存在，由此证实了时空弯曲的存在。

引力透镜被发现，而且越来越多

图为QSO 0975+561的光学成像，下方左图是VLA成像，其中可以看到A和B和充当透镜G，A和B镜像对称

最早发现引力透镜效应的，是一组英美团队的天文学家：丹尼斯·沃尔什（Dennis Walsh），罗伯特·卡斯威尔（Robert Carswell）和雷·威曼（Ray Weyman）。他们利用美国亚利桑那州基特峰国立天文台2.1米光学望远镜，观测到了两个相邻很近的类星体QSO0957+561A和QSO0957+561B，视角相距只有6"。

奇怪的是这两个类星体光谱非常相似，发射线红移都是1.405，吸收线红移都是1.39，射电流量密度也非常接近，且视距离如此接近。最终，科学家们认为这两个类星体实际是一个实体发生的两个虚像，这就是爱因斯坦预言的引力透镜效应形成的像。

图为类星体QSO 0957+561A和B两个像的光谱，形状高度相似，因此实际是经过引力透镜的一个类星体两个镜像

经过进一步观测计算，QSO0957+561类星体距离我们87亿光年，而夹在其中间充当透镜的天体YGKOW G1（简称G1）则距离我们37亿光年，这个G1是一个巨大星系，形成了巨大的引力透镜，当QSO0957+561类星体的光穿越透镜时，得到放大并形成两个相互镜像。

1980年，韦曼等人又发现了一个看起来像三重像的类星体PG 1115+080，但其中有一个像特别亮，远远高于其他两个像的亮度，后来发现这是两个相差0.5"的像同叠的结果，因此这个被引力透镜折射的类星体像实际上是四重像。

这种四重像引力透镜效应，人们把它称为爱因斯坦十字架。

理论上，任何天体都会扭曲周边时空，就会形成一个引力透镜，因此可以说引力透镜遍布宇宙各个角落。但只有当这个“透镜”足够大，后面又恰好有被放大或被多重镜像的天体时，这个“透镜”才有意义，而且只有对遥远的天体形成引力透镜效应才更有意义。

随着引力透镜发现得越来越多，人们不但发现了遥远天体的多重镜像，还发现了爱因斯坦环。所谓爱因斯坦环，就是由于引力透镜效应影响，让经过透镜光源畸变成环状，围绕着引力透镜的边缘，有的是一个不完整的圆形，有的是完整的圆形。

1988年，美国天文学家休伊特等人，发现了第一个不算完整的爱因斯坦环，被命名为MG1131 + 0456；1998年，英国天文学家采用哈勃太空望远镜发现了第一个完整的爱因斯坦环，命名为B1938 + 666。

这个漂亮的环不是画上去的，而是引力透镜效应真实照片

现在，引力透镜现象在宇宙中普遍存在，根据引力源的大小，人们把引力透镜划分为微引力透镜、弱引力透镜、强引力透镜等三个档次。

太阳这样的天体形成的引力透镜就是典型的微引力透镜，只能让较远天体光线经过时发生小幅偏转；而弱引力透镜的放大增强效应比微引力透镜要强大，让通过的光源变得更亮；强引力透镜则能让通过的光源明显放大和改变星像，形成双像、多重像以及环半弧和全弧。

通过这些引力透镜，人们能够看到更远更亮更多的天体。

引力透镜效应让人们看到更遥远的过去

现在，科学界通过巨大高精度的各种天文望远镜，看到越来越远的天体，比如发现了90多亿光年距离的原始恒星，130多亿光年距离的星系。但这些恒星和星系并不是望远镜直接看到的，而是通过前置天体的巨大引力透镜效应，将遥远微弱暗淡星光放大很多倍，才发现的。

比如2016年5月，天文学家们看到了90亿光年距离一颗恒星发出的光线，就是通过哈勃望远镜与引力透镜结合在一起，让这颗遥远恒星的光明亮了很多，才被发现的。这颗恒星被命名为LS1（透镜恒星1），昵称为“伊卡洛斯”。

一般来说，现代太空望远镜很能分辨1亿光年的单颗恒星，因此要寻找这种恒星都要依赖引力透镜效应，找到正好在这颗恒星中间的前置引力源，这种引力源形成的引力透镜一般都能轻易放大50倍，这样就能分清1亿光年距离的单颗恒星。

而夹在LS1恒星中间的引力透镜，将这颗恒星放大了2000倍，加上哈勃望远镜比人眼分辨率提升6亿倍的强大功能，才让天文学家们看到了这颗恒星。

根据人眼观测与光速的关系，看到越远的事物，就说明这个事物的历史越久远。而引力透镜让人们看到130多亿光年的天体，因此可以认为这些天体是宇宙大爆炸初期的状态，也就是是宇宙的婴儿状态，对研究宇宙的演化过程起到了重大作用。

现代物理学的两朵新乌云

20世纪初，科学界曾经认为，人类的物理学大厦主体本来已经落成，只剩下一些装饰工作了，但出现了横在人们面前有两朵乌云：一朵是光的波动力学，迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；另一朵主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

爱因斯坦与普朗克

这两朵乌云让建立在牛顿经典力学和已形成的麦克斯韦电磁统一理论出现了危机，难道这些大厦将要倾倒或者拆掉重来？一时间物理学界笼罩在一片迷惑和惶惶中，爱因斯坦相对论和普朗克量子力学的诞生，让物理学大厦重新拨云见日。

由此，相对论和量子力学成为现代物理学的两块最重要基石，物理学从经典走向了现代。

现在，物理学又出现了两朵更大的乌云，而且是看不见摸不着，但却是让人感到无处不在的乌云，这就是暗物质和暗能量。

在研究宇宙天体运行规律时，人们发现总会与理论有出入，而且出入还很大。如在1933年，天体物理学家兹威基利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系的运动速度，发现这些星系速度弥散度极高，依靠星系可见质量的引力完全无法束缚这些星系，星系团早就分崩离析了。

因此他指出，在这个星系团里一定有其他看不见的物质存在，经过测算，这种物质至少是可见物质的100倍以上。后来科学家们发现这种现象在宇宙中带有普遍性，由此把这种看不见的物质命名为“暗物质”。

这样又出现了一个矛盾：如果我们宇宙普遍存在着暗物质，那相互之间引力就十分巨大，整个宇宙就应该呈现出收缩态势。可是研究发现，宇宙还在加速膨胀，这个膨胀的力量是从何而来呢？这个力量也是看不见摸不着，于是科学家们把这种能量称为“暗能量”。

这个暗能量有多大呢？经过宇宙膨胀与星系引力作用的一些复杂计算，人们得出了暗能量是暗物质的数倍之多。现在科学界比较多普遍的认知是，在我们宇宙，恒星、星系、星际物质等可以观测的物质加起来只占宇宙总量的4.9%，而暗物质所占比例为26.8%，暗能量比例为68.3%。

由此，我们宇宙的未来和归宿，似乎并非由可见物质决定，而是取决于暗物质和暗能量的博弈。如果不弄清这两朵笼罩在天体物理学上空的“乌云”，人类就很难找到宇宙更深入的真相。但暗物质暗能量无法观测，它们到底是什么呢？它们在空间的分布状态又是怎样的呢？这是科学界几十年来一直想弄清楚的问题。

值得庆幸的是，引力透镜让暗物质现了形

暗物质由于不带电，因此不会与光子发生作用，而人类完全是依靠光（可见光、电波和射线都是光的不同波段）来观测物质，这样，暗物质对人类来说就是透明的。虽然人们可以通过引力作用来计算出某个星系或星系团中暗物质的质量，但如果了解这些暗物质在空间的分布呢？

引力透镜效应让人们看到一线曙光。

产生引力透镜效应的前置天体可能是巨型黑洞、星系、星系团等等，也可能是单纯的暗物质团。即便在可见的星系团等天体里，暗物质也占据着主要地位。

暗物质虽然不发出任何辐射，不可能被直接观测到，但既然它引力透镜效应中发挥着重要甚至主要作用，科学家们就可以通过引力透镜效应来分析它们在空间的分布状态了，由此，引力透镜效应就成为发现宇宙暗物质的探针。

2007年1月，欧洲和美国科学家首次公布了局部宇宙空间暗物质分布的三维图，这个三维图就是依靠引力透镜效应得到的。这张图集中了70位天文学家的智慧，他们合作分析了哈勃望远镜1000个小时拍摄的575张照片，找出了50万个受到引力透镜畸变的星系，制作出了这个暗物质三维图。

这幅暗物质分布三维图被列入中国两院院士评选的2007年世界十大科技成果之一。这幅图涵盖了六分仪座一片2.2°^2的天区，相当9个满月的面积，距离分为30亿光年、50亿光年、65亿光年三个层次。

2006年8月21日，美国科学家公布了哈勃和钱德拉两架空间望远镜在2004年拍摄的一组综合图像，这是坐落在船底座1E0657-56“子弹星系团”的综合图像，距离我们34亿光年，由两个大星系团碰撞合并而成。

照片中有三种不同波段望远镜分别拍摄出来效果，有红色高温气体和白色、黄色众多星系，还有一片蓝色区域，就是星系团中的暗物质。这些暗物质分布是根据星系团形成的引力透镜效应分析描绘出来的，图像清晰显示了星系团碰撞过程，暗物质和普通物质的分离过程以及空间分布状态。

2007年5月15日，哈勃望远镜公布了星系团CL0024+17拥有暗物质环的图像，环径达260万光年。照片中显示许多条蓝色弧段，是被引力透镜畸变了的一些更遥远星系。这张照片是2004年11月，哈勃望远镜采用6种不同波长的滤光片曝光了14个小时得到的。

2007年8月16日和2008年8月27日，哈勃和钱德拉望远镜又公布两张类似的照片:猎户座Abell520星系团，距离24亿光年;鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团，距离59亿光年。这些都是宇宙暗物质存在的直接证据。

现在，科学界探索暗物质和暗能量的方法已经很多，但引力透镜在其中一直起着无法替代的作用，而且引力透镜还在测量哈勃常数，确定宇宙年龄等科学实践中，也起着重要作用。这些都是爱因斯坦时空弯曲理论的后续成果，是时空弯曲的铁证。

看了这些，你还认为时空弯曲是不存在的吗？欢迎讨论，感谢阅读。

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什么是引力常数G及其科学意义？测量G值的问题在哪

根据传说，伽利略在比萨斜塔上做的第一个实验表明，不论质量如何，所有物体会以相同的速度下落。在没有(或忽略)空气阻力的情况下，任何两个物体在引力场中下落，都会以相同的速度加速到地面。这后来被编成了一条准则，作为牛顿对引力问题研究的一部分。

什么是G?以及重要性

当我们第一次开始制定物理定律时，我们凭借以往的经验并通过严谨的实验，就像伽利略可能做过的比萨斜塔实验一样，把球从塔上扔下去，我们可以测量球落下的距离和落地的时间。释放一个钟摆，我们可以找到钟摆的长度和摆动时间之间的关系。这时我们就会发现在一定距离、长度和时间上会存在一种关系:坠落物体的距离与时间的平方成正比；钟摆的周期与钟摆长度的平方成正比。

但是要把这些关系写成完美的数学公式，我就需要十分精确的测量出一个常量。

太阳系内部的行星轨道并不完全是圆形的，其中以水星和火星的轨道偏离和椭圆度最大。在19世纪中期，科学家们开始注意到水星的运动偏离了牛顿引力的预测，这一微小的偏离只有在20世纪才被广义相对论所解释。同样的万有引力定律和常数，描述了从地球到宇宙的所有尺度上的引力效应。

在这些例子中，月亮围绕地球转，行星围绕太阳转，光线因引力透镜而弯曲，彗星从太阳系中逃逸时会损失能量，所有这些都与引力常数G相关。在16世纪40年代和50年代，牛顿出现之前，意大利科学家弗朗切斯科·马尔迪和乔瓦尼·里奇奥利就首次计算了引力常数，这意味着G是有史以来第一个基本常数，甚至在奥勒·罗默于1676年测定光速之前。

当我们把宇宙中的任意两个质量物体放在一起时，它们会相互吸引。根据牛顿定律，除了在自然界中最极端的质量(对于大质量)和距离(对于小距离)的条件下，吸引力与两个物体的质量(之间的距离)和重力常数有关。几个世纪以来，我们已经将许多基本常数的测量精确到了十分惊人的程度。看下下面两个重要的常数，你就能深刻的体会到什么叫精确。光速c是众所周知的:299792458米/秒。普朗克常数h控制量子的相互作用，其值为1.05457180 × 10^-34 J⋅s，不确定度为±0.000000013×10^-34 J⋅s。

但G？这完全是另一回事。

无论使用牛顿还是爱因斯坦的引力公式，力的强度部分取决于重力常数的值，重力常数的值必须凭经验来测量，不能从任何其他量中导出。

Q1、看起来十分精确的G值

在20世纪30年代，由科学家保罗·海勒测量G的值为6.67×10^-11 N/kg⋅m²，后经1940年改进为6.673×10^-11 N/kg⋅m²。随着时间的推移，数值是越来越精确，不确定性从0.1%一直下降到20世纪90年代末的0.04%。

在一份旧的粒子数据手册上，给出了一些物理学的基本常数，我们可以在里面找到一个看起来很不错的G值:6.67259 × 10^-11 N/kg ⋅m²，不确定度仅为0.00085 × 10^-11 N/kg ⋅m²。这似乎G的值已经十分精确了。

基本常数的值，发表在粒子数据1998年的小册子中。

Q2、但后来发生了一件有趣的事。

在1998年晚些时候，同年进行的实验显示了一个与已知值不一致的高值:6.674×10^-11·N/kg·m²。多个团队使用不同的方法，得到的G值在0.15%的水平上相互冲突，是以前报告中不确定性的十倍以上。

Q3、怎么会出这种事？

由亨利·卡文迪许设计和发表的精确测量重力的原始实验，依赖于扭转平衡的原理

独立于其他未知因素(如太阳质量或地球质量)的重力常数测量是在18世纪末亨利·卡文迪许的实验中完成的。卡文迪许开发了一个扭转平衡的实验，在实验中，一个微型杠铃被一根金属丝悬挂着，保持着非常完美的平衡。两端的每一个质量附近都有两个较大的质量，大球质量将吸引较小的小球质量。只要质量和距离已知，通过微型杠铃所经过的扭转量，我们就能测量出重力常数。

尽管人类的科技水平和物理学水平在过去200多年里取得了巨大的进步，但是在最初的卡文迪许实验中使用的扭杆原理在今天仍然被用于G的测量。截止到2018年，还没有任何测量技术或实验装置能够提供更好的实验结果。这一点让我们很不理解。

关于G的测量，人们强烈怀疑影响测量结果的主要因素之一是，人们确认偏误的心理因素，也称为从众心理。如果你是科学家，你的同事测量的值都是6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,这时你可能会期望得到类似6.67224×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,或6.67293×10 ^ -11 N /kg²⋅m²,但如果你得到了类似6.67532×10 ^ -11 N /kg²⋅m²的值,你可能会想，自己是不是做错了什么事。

你可能会寻找错误的根源。你会重复一次又一次的实验,知道你得出一个合理的值符合6.67259×10 ^ -11 N /kg²⋅m²。

1998年,巴格利和路德的团队进行了扭秤实验取得的结果为6.674 x 10 ^ -11 N /kg²/ m²,这次结果足以让人们对以前报告的G值产生了怀疑。一个非常谨慎的团队得到的G值结果与之前的结果相差了惊人的0.15%，那些早期结果的误差比这个值的误差低十倍以上。这就是1998年令科学界震惊的原因。

我国科学团队在测量G值上的贡献

扭力天平和扭力摆都是受到卡文迪什实验的启发设计出来的，并且在G值的测量方面一直领先其他最新的技术，甚至超过了最新的原子干涉实验技术。我国的科学团队从两个独立的测量实验中获得了迄今为止最精确的G值:6.674184 × 10^-11 N/kg ⋅m²和6.674484 × 10^-11 N/kg ⋅m²，每个测量的不确定性仅为百万分之十一。

这两种实验方法由于2018年8月底发表在《自然》杂志上，产生了迄今为止最精确的G的测量结

这两个值可能在两个标准偏差范围内相互一致，但它们与其他科学团队在过去15年中进行的其他测量不一致，这些测量的范围从高达6.6757×10^-11·N/kg ⋅m²到低至6.6719×10^-11·N/kg ⋅m²

从6S轨道开始的原子跃迁(Delta_f1)定义了米、秒和光的速度。请注意，描述我们宇宙的基本量子常数的精确度是G的数千倍，但G是有史以来第一个测量到的常数。

宇宙的引力常数G是人们第一个测量的物理常数。可是，在我们首次确定G值的200多年后，与所有其他常数相比，我们对G的了解如此之少，这确实令人尴尬。从引力波到脉冲星周期，再到宇宙膨胀，我们在一系列的预测和计算中都使用了这个常数。但是我们确定G能力只限定于在实验室进行的小规模实验。从材料的密度到全球范围内的地震振动，最微小的不确定性，都能影响我们对G值的判断。除非我们能测量出十分精确的G值，否则在宇宙任何引力现象重要的地方中，都会存在一种巨大不确定性。现在，我们仍然不知道重力到底有多大。

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