【极重篇 | 第二章：广义相对论的验证及应用】02 引力透镜

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还有一个验证广义相对论的办法，就是从最基本的推论出发，看看广义相对论预言的物理现象能否被观察到。

广义相对论又是一个大尺度问题，要观察也应该是去宇宙里观察，这就来到了天文观测的领域。

2.2.1 广义相对论如何验证？光线转弯

天文观测，粗略来讲可以理解为观星。这里的观星，其实都是看各种天体上发出的光线。

因此从观测的角度来说，如果要检验广义相对论的正确性，最直观的就是去验证光线是否真的会在引力场的作用下弯曲。

根据这一预言，我们能够预想出，宇宙中的天体应该会有一种现象，叫引力透镜。

2.2.2 引力透镜

先说说看透镜。

生活中能见到很多透镜，譬如说近视眼镜的镜片，就是凹透镜，远视眼、老花眼的镜片，是凸透镜。

透镜其实就是厚薄变化的透明材料，可以是玻璃，也可以是树脂，它的功能就是去弯折光线，光线射进去就不走直线了。引力场的作用也是让光线的传播路径弯曲，因此我们借用了透镜的概念。

引力透镜也是广义相对论所预言的一种天体物理现象，我们可以来看看一个引力透镜的设置。打比方说，有一个天体质量特别大，所以光线经过它周围的时候，会发生明显的弯曲。

假设在这个大天体的背后有一些发光的天体。正常情况下，如果我们从这个大天体的正面去观察，由于发光天体被大天体挡住了，原则上是看不见的。

但因为大天体的质量非常大，发光天体所发出的光线经过它的边缘时候会被弯曲。这种弯曲是一种吸引式的弯曲，也就是本来要向上走的光线，会被大天体的引力场给拽下来往前走。

可以想象如果大天体的质量大到一定程度，即便发光天体的实物被大天体遮挡了，我们依然可以从正面看到这个发光天体的光。

并且由于天体是球形，所以每个方向的光经历的弯曲应该是一样的。如果大天体背后的发光天体也是球形，通过这种大天体对于光线的弯曲现象，我们应该能够看到一个发光的环。

引力透镜的“透视”效果

如果大天体背后的发光天体不止一个，可以预想大天体背后的光线都会经历弯曲。这样一来，我们会看到大天体周围的图像应该都是经过扭曲的，会看上去不像正常的宇宙景象，就像在PS里经过了液化处理的图像。

就像你通过一个放大镜去看物体，物体的形象会被扭曲一样，这就是引力透镜。黑洞，就是这样一种具备如此大质量和如此强引力场的天体。

如果真的有个黑洞在宇宙中，我们透过黑洞看它周围的景象应当是被扭曲的，有很多科幻片里也做出了这样的效果图。

黑洞引力场附近效果图

黑洞是引力极强的天体，这种强引力天体产生的引力透镜的现象，叫做强引力透镜。但黑洞是很罕见的，人类也只是在2019年才刚刚拍到了黑洞的照片。

大部分情况下，我们没有那么强引力的天体，但引力透镜的现象无处不在，只是效果的明显与否而已。

同样的，任何一个普通的天体，原则上都可以充当引力透镜。我们可以来考虑这样一个设置，譬如有一个天体，这个天体的引力还算可以，虽然没有黑洞那么强，但也比较可观。

在这个天体的背后有另外一个发光天体发出的光刚好擦着这个充当透镜的天体的边缘穿过，能够被天体前方的观察者看到。

引力透镜的放大效果

发光天体是有一定大小的，它发出的光不是一条单一光线，而是有粗细的光束。这个光束下方的光线，在擦过透镜天体的时候，相比于上方的光线更加接近透镜天体的球心。

下方光线感受的引力场的强度比上方光线要强，下方光线在引力场中弯曲的程度更强。

因此观察者看到的这束光的大小，比光束本身大小要大。发光天体的形象被放大了，这也是引力透镜的效果。

根据广义相对论的推理，引力透镜的效果是必然的。但是这样就真的证明了广义相对论的正确性了吗？未必。

我们通过爱因斯坦的狭义相对论知道能量和质量是等价的。

一束光既然有能量，那么它也就有相应的质量，有质量的物体在通过引力场的过程中，会受到引力的影响改变运动路线。

水星进动和引力透镜只能说是给出了广义相对论没有错误的验证，但并非只有广义相对论能解释引力透镜和水星进动问题。广义相对论的铁证，其实是近年才被发现的，那就是引力波。