探索引力的（de）奥秘：从牛顿到（）爱因斯坦，引力如何帮助人（rén）类发现银河系外行（xíng）星

它出（chū）现在（zài）人（rén）类两个（gè）划时（shí）代的（de）科学理论中（zhōng）。人（rén）们（men）称之（zhī）为（wéi / wèi）万有（yǒu）引力。牛顿认为（wéi / wèi）它几乎无处不（bù）在（zài），但爱因斯坦认为（wéi / wèi）它不（bù）存在（zài）。

所以（yǐ）……

自（zì）牛顿时（shí）代以（yǐ）来（lái），引力就（jiù）出（chū）现在（zài）各种科学研究场合。最近，它帮助人（rén）类“看到（）”银河系外的（de）行（xíng）星。美国（guó）俄克拉荷马大（dà）学的（de）天（tiān）文学家（jiā）近日发表论文称，他（tā）们（men）利用NASA钱德拉X射线卫星的（de）数据和（hé）微透镜效应，在（zài）距离三八亿光年（nián）的（de）星系中（zhōng）发现了一群恒星行（xíng）星，这（zhè）是（ shì）人（rén）类第一次发现发现了一颗银河系外的（de）行（xíng）星。

引力不（bù）是（ shì）物质之（zhī）间恒定的（de）吸引力吗？

为（wéi / wèi）什么它能（néng）帮助科学家（jiā）“看到（）”行（xíng）星？

它的（de）本质是（ shì）什么？

让苹果落到（）地（dì）上（shàng），让行（xíng）星绕太阳转

当人（rén）们（men）想到（）重力时（shí），总会（huì）想到（）苹果掉到（）地（dì）上（shàng）的（de）故事（shì）。故事（shì）讲述了当牛顿坐在（zài）苹果树下（xià）苦苦思考行（xíng）星运动问题时（shí），一个（gè）苹果掉到（）了他（tā）的（de）面前，这（zhè）让他（tā）突然意识到（），导致苹果落到（）地（dì）面的（de）重力就（jiù）是（ shì）重力。导致月球绕地（dì）球运行（xíng）的（de）力；地（dì）球不（bù）仅吸引苹果，它还吸引地（dì）球表面的（de）一切，包括遥远的（de）星星。

如今，这（zhè）个（gè）故事（shì）的（de）真实性备受争议，无法核实。但可（kě）以（yǐ）肯定的（de）是（ shì），提出（chū）引力的（de）过（guò）程并不（bù）像灵感顿悟那（nà）么简单。

早在（zài）一0七世纪初，开普勒就（jiù）根据前辈第谷·布拉赫的（de）观测数据总结了太阳系行（xíng）星运动规律，提出（chū）了行（xíng）星运动三大（dà）定律。这（zhè）三个（gè）定律分别涉及太阳系行（xíng）星的（de）轨道（dào）形状、速度和（hé）周期，解释了行（xíng）星运动的（de）轨道（dào）规则。

开普勒的（de）行（xíng）星运动三定律真正使太阳成为（wéi / wèi）太阳系行（xíng）星轨道（dào）的（de）中（zhōng）心，也（yě）让科学家（jiā）开始思考行（xíng）星为（wéi / wèi）何绕太阳运行（xíng）。他（tā）们（men）的（de）运动受什么支配？

牛顿在（zài）一七六0年（nián）代开始思考这（zhè）个（gè）问题。他（tā）从开普勒第三定律推论出（chū），行（xíng）星绕太阳运行（xíng）所需的（de）力与其距太阳距离的（de）平方成正比。这（zhè）就（jiù）是（ shì）重力的（de）原型。

但万有（yǒu）引力的（de）系统提出（chū）却要（yào）等到（）一六八七年（nián）。在（zài）这（zhè）二0年（nián）间，牛顿深入研究了行（xíng）星椭圆轨道（dào）与与距离平方成反比的（de）力的（de）关系，并对（duì）万有（yǒu）引力的（de）普遍性进行（xíng）了思考。

一六八七年（nián），《自（zì）然哲学的（de）科学原理》出（chū）版。在（zài）这（zhè）部科学杰作中（zhōng），牛顿提出（chū）了三大（dà）运动定律和（hé）万有（yǒu）引力定律。他（tā）认为（wéi / wèi）两个（gè）物体之（zhī）间存在（zài）着相互的（de）吸引力，这（zhè）就（jiù）是（ shì）万有（yǒu）引力。该力的（de）大（dà）小与两个（gè）物体质量的（de）乘积成正比，与它们（men）之（zhī）间距离的（de）平方成反比。从万有（yǒu）引力定律可（kě）以（yǐ）推导出（chū）开普勒三定律。这（zhè）说（shuō）明行（xíng）星的（de）运动是（ shì）在（zài）恒星间万有（yǒu）引力的（de）控制下（xià）进行（xíng）的（de）。

万有（yǒu）引力的（de）提出（chū）揭示了太阳、月亮和（hé）星星运动的（de）内在（zài）奥秘。它已成为（wéi / wèi）人（rén）类认识和（hé）认识世界的（de）重要（yào）基石。牛顿本人（rén）使用万有（yǒu）引力定律来（lái）解释潮汐和（hé）行（xíng）星进动等现象。牛顿的（de）朋友哈雷用它来（lái）预测哈雷彗星的（de）返回周期。法国（guó）天（tiān）文学家（jiā）勒维耶根据万有（yǒu）引力推断出（chū）海王星的（de）存在（zài）。在（zài）航天（tiān）工业中（zhōng）发挥重要（yào）作用的（de）第一、第二、第三宇宙速度的（de）计算也（yě）都有（yǒu）万有（yǒu）引力定律的（de）存在（zài）。

值得一提的（de）是（ shì），在（zài）牛顿万有（yǒu）引力公式中（zhōng），有（yǒu）一个（gè）万有（yǒu）引力常数G。直到（）万有（yǒu）引力出（chū）现一百多年（nián）后（hòu），英国（guó）科学家（jiā）卡文迪什才用设计精巧的（de）扭天（tiān）平测量到（）了它，进一步完善了万有（yǒu）引力定律。

它本质上（shàng）并不（bù）存在（zài），只是（ shì）时（shí）间和（hé）空间的（de）幻象。

空间和（hé）时（shí）间的（de）曲率以（yǐ）及光的（de）引力偏转

尽管牛顿的（de）引力理论曾经被认为（wéi / wèi）是（ shì）极其准确和（hé）完美的（de）理论，但它也（yě）有（yǒu）其局限性。例如，它无法解释重力的（de）本质。还有（yǒu）一些自（zì）然现象是（ shì）牛顿引力无法解释的（de）。

天（tiān）文观测很早就（jiù）发现，水星轨道（dào）的（de）近日点绕太阳运动的（de）速度很慢，称为（wéi / wèi）水星近日点进动。这（zhè）种进动的（de）速度可（kě）以（yǐ）根据万有（yǒu）引力定律计算出（chū）来（lái），但与实际观测得到（）的（de）精确值存在（zài）差异。差异为（wéi / wèi）每百年（nián） 四三 角秒。为（wéi / wèi）了弥补这（zhè）一差异，科学家（jiā）们（men）做出（chū）了各种尝试，比如假设水星附近有（yǒu）一颗“火神”会（huì）影响其轨道（dào），或者修正重力的（de）平方反比关系，或者采用电磁理论来（lái）解释。直到（）爱因斯坦出（chū）现之（zhī）前，这（zhè）些尝试都没有（yǒu）成功。

一九0五年（nián），爱因斯坦基于（yú）光速恒定原理完成了狭义相对（duì）论的（de）创立，预言当物体高速运动时（shí），会（huì）出（chū）现牛顿经典物理学中（zhōng）没有（yǒu）的（de）相对（duì）论效应。一0年（nián）后（hòu），划时（shí）代的（de）广义相对（duì）论问世，直指引力的（de）来（lái）源和（hé）本质。

与牛顿理论不（bù）同，在（zài）广义相对（duì）论中（zhōng），时（shí）间和（hé）空间不（bù）再是（ shì）相对（duì）独立的（de）实体。考虑物体运动时（shí）的（de）场景不（bù）再是（ shì）三维空间，而（ér）是（ shì）时（shí）间和（hé）空间相互关联的（de）四维空间——时（shí）间和（hé）空间。物体的（de）运动反过（guò）来（lái）影响空间和（hé）时（shí）间。

这（zhè）两个（gè）空间非常不（bù）同。牛顿的（de）三维空间是（ shì）欧几里得直线空间，牛顿经典物理的（de）所有（yǒu）理论都是（ shì）建立在（zài）这（zhè）个（gè）基础上（shàng）的（de）。爱因斯坦的（de）四维时（shí）空可（kě）能（néng）不（bù）是（ shì）直的（de）——它可（kě）能（néng）是（ shì）球面所代表的（de）正曲率空间，也（yě）可（kě）能（néng）是（ shì）鞍面所代表的（de）负曲率空间。只有（yǒu）当曲率为（wéi / wèi）零时（shí），它才简化为（wéi / wèi）直线空间。空间。时（shí）空的（de）曲率是（ shì）由其中（zhōng）的（de）物质决定的（de）。

爱因斯坦写的（de）广义相对（duì）论场方程说（shuō）明了这（zhè）种关系：物质的（de）能（néng）量和（hé）动量会（huì）使时（shí）空弯曲。它的（de）运动方程解释了物质在（zài）这（zhè）样的（de）时（shí）空中（zhōng）的（de）运动规律。

在（zài）弯曲时（shí）空中（zhōng），许多规则都发生（nián）了变化。例如，两点之（zhī）间的（de）最短线不（bù）再是（ shì）直线，而（ér）是（ shì）称为（wéi / wèi）测地（dì）线的（de）曲线。最直观的（de）例子（zǐ）就（jiù）是（ shì），从北京到（）美国（guó）洛杉矶的（de）最短路线，并不（bù）是（ shì）向东直接穿越太平洋，而（ér）是（ shì）先向东北飞行（xíng），然后（hòu）向东南拐弯进入美国（guó）大（dà）陆。原因是（ shì）飞机沿着三维球体飞行（xíng）。两地（dì）之（zhī）间的（de）最短路线是（ shì）一条穿过（guò）两地（dì）和（hé）地（dì）心的（de）大（dà）弧线。之（zhī）字形路线是（ shì）其在（zài）二维地（dì）图上（shàng）的（de）投影。

弯曲时（shí）空中（zhōng）物质的（de）运动也（yě）与我（wǒ）们（men）的（de）直觉理解不（bù）同。从爱因斯坦的（de）运动方程可（kě）以（yǐ）解出（chū）自（zì）由粒子（zǐ）在（zài）弯曲空间中（zhōng）不（bù）受外力作用的（de）轨迹。它是（ shì）四维时（shí）空中（zhōng）的（de）一条螺旋曲线。如果把它投影到（）三维空间，恰好（hao）就（jiù）是（ shì）行（xíng）星在（zài）太阳引力作用下（xià）的（de）椭圆轨道（dào）。也（yě）就（jiù）是（ shì）说（shuō），行（xíng）星围绕太阳的（de）运动只是（ shì）它在（zài）四维空间和（hé）时（shí）间中（zhōng）的（de）惯性运动，根本不（bù）需要（yào）任何引力。

爱因斯坦创立广义相对（duì）论的（de）动机之（zhī）一就（jiù）是（ shì）引力无法纳入狭义相对（duì）论的（de）理论框架。在（zài）他（tā）的（de）新理论中（zhōng），引力的（de）命运是（ shì）不（bù）存在（zài）的（de）！

人（rén）们（men）经常用床单来（lái）比喻这（zhè）种情况。如果我（wǒ）们（men）不（bù）考虑物质对（duì）时（shí）空的（de）影响，那（nà）么我（wǒ）们（men）的（de）时（shí）空就（jiù）像一张平板。在（zài）薄片的（de）中（zhōng）心放置一个（gè）铅球，薄片就（jiù）会（huì）凹陷，就（jiù）像广义相对（duì）论中（zhōng）物质导致时（shí）空弯曲一样。如果将一个（gè）小球放在（zài）凹陷的（de）床单上（shàng），它会（huì）向铅球滚动，似乎被铅球吸引。事（shì）实上（shàng），球的（de）运动只是（ shì）由于（yú）空间的（de）几何效应。牛顿认为（wéi / wèi），几乎无处不（bù）在（zài）的（de）引力本质上（shàng）并不（bù）存在（zài）。

建造最先进的（de）望远镜来（lái）寻找遥远的（de）行（xíng）星

利用微透镜寻找行（xíng）星的（de）示意图

有（yǒu）了广义相对（duì）论，水星近日点进动问题就（jiù）很容易解决了。爱因斯坦对（duì）水星近日点进动速度的（de）计算与观测结果完全一致。爱因斯坦在（zài）发表广义相对（duì）论时（shí）还预言，由于（yú）空间和（hé）时（shí）间的（de）曲率，飞出（chū）太阳表面的（de）光子（zǐ）的（de）频率会（huì）发生（nián）红移，来（lái）自（zì）遥远恒星的（de）光线在（zài）经过（guò）近处时（shí）会（huì）发生（nián）偏转。太阳。这（zhè）些预言被随后（hòu）的（de）观测一一证实，证实了广义相对（duì）论描述世界的（de）准确性。尤其是（ shì）光的（de）引力偏转。虽然牛顿引力理论也（yě）可（kě）以（yǐ）计算出（chū）光的（de）偏转角度，但像水星近日点进动的（de）问题一样，计算结果偏差太大（dà）。

引力透镜效应是（ shì）光的（de）引力偏转。诸如星系之（zhī）类的（de）大（dà）质量物体（透镜物体）会（huì）使它们（men）附近的（de）时（shí）空弯曲。当后（hòu）面背景物体的（de）光线穿过（guò）这（zhè）个（gè）弯曲的（de）时（shí）空时（shí），光线会（huì）发生（nián）偏转，就（jiù）像光线穿过（guò）透镜一样。根据背景天（tiān）体、透镜天（tiān）体和（hé）观察者之（zhī）间不（bù）同的（de）位置关系，最终会（huì）在（zài）观察者的（de）眼睛中（zhōng）形成多重图像或环形图像。 一九八七年（nián），美国（guó）天（tiān）文学家（jiā）杰奎琳·休伊特首次观测到（）引力透镜形成的（de）环形图像——爱因斯坦环。如今，人（rén）类已经看到（）了许多类似的（de）引力透镜图像。

引力透镜偏转光线的（de）角度取决于（yú）透镜物体的（de）质量。如果透镜物体质量不（bù）够大（dà）（例如一颗恒星），会（huì）发生（nián）什么？这（zhè）就（jiù）是（ shì）帮助天（tiān）文学家（jiā）寻找行（xíng）星的（de）微透镜效应。

计算表明，恒星质量物体透镜产生（nián）的（de）爱因斯坦环非常小，即使是（ shì）最先进的（de）望远镜也（yě）无法分辨它们（men）。人（rén）们（men）看到（）的（de）只是（ shì）背景物体，由于（yú）微透镜效应而（ér）变得更亮。而（ér）且，微重力透镜形成的（de）图像最多只能（néng）持续几年（nián）。与引力透镜图像动辄数百万年（nián）的（de）存在（zài）时（shí）间相比，它们（men）可（kě）谓转瞬即逝。

尽管观测很困难，但天（tiān）文学家（jiā）发现微透镜对（duì）于（yú）寻找地（dì）外行（xíng）星很有（yǒu）用。当恒星质量的（de）天（tiān）体经过（guò）背景天（tiān）体前方时（shí），微透镜作用会（huì）使背景天（tiān）体在（zài）短时（shí）间内显得更亮，这（zhè）反映在（zài）光强度曲线上（shàng）的（de）凸峰上（shàng）。但如果观测到（）的（de）光变曲线中（zhōng）存在（zài）多个（gè）峰值，则意味着恒星附近存在（zài）其他（tā）小质量天（tiān）体，例如行（xíng）星。利用这（zhè）一特征，我（wǒ）们（men）可（kě）以（yǐ）确定地（dì）外行（xíng）星的（de）存在（zài），并分析其质量和（hé）与恒星的（de）距离等参数，即使该行（xíng）星从未出（chū）现在（zài）望远镜中（zhōng）。

如果把微引力透镜比作望远镜，它的（de）优势是（ shì）非常明显的（de），比如可（kě）以（yǐ）让人（rén）们（men）探索更遥远的（de）行（xíng）星世界。 二00三年（nián），两个（gè）研究小组利用这（zhè）种方法首次发现了一颗距离地（dì）球一六000光年（nián）的（de）系外行（xíng）星。在（zài）最新发现中（zhōng），天（tiān）文学家（jiā）创新性地（dì）利用微引力透镜方法，将人（rén）类搜索行（xíng）星的（de）范围扩大（dà）到（）了银河系以（yǐ）外。

简单来（lái）说（shuō），在（zài）最新的（de）研究中（zhōng），天（tiān）文学家（jiā）结合了引力透镜和（hé）微引力透镜来（lái）寻找行（xíng）星。星系的（de）引力透镜效应导致后（hòu）面的（de）背景物体产生（nián）多重虚像，以（yǐ）及星系中（zhōng）恒星和（hé）行（xíng）星产生（nián）的（de）显微图像。引力透镜效应改变了这（zhè）些虚像的（de）亮度和（hé）光谱频率。观测和（hé）模拟结果表明，在（zài）距离地（dì）球三八亿光年（nián）的（de）-一二三一星系中（zhōng）心，存在（zài）着一群质量介于（yú）月球和（hé）木星之（zhī）间的（de）行（xíng）星。这（zhè）种由微引力透镜制成的（de）“望远镜”比地（dì）球上（shàng）和（hé）天（tiān）空中（zhōng）最精确的（de）观测仪器还要（yào）精确，让人（rén）类第一次发现了其他（tā）星系中（zhōng）行（xíng）星存在（zài）的（de）证据。

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