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主题: 爱因斯坦的宇宙：弯曲和波动的空间 1

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爱因斯坦的宇宙：弯曲和波动的空间 1

快活王
[博客]
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头衔: 海归准将
声望: 学员

加入时间: 2004/06/02
文章: 1029

海归分: 110067

标题: 爱因斯坦的宇宙：弯曲和波动的空间 1 (2262 reads) 时间: 2005-10-15 周六, 07:49

作者：快活王 在海归商务发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com

爱因斯坦的宇宙：弯曲和波动的空间

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https://www.sina.com.cn 2004年08月11日 11:27 《大科技》2004年08期

我们的宇宙是一个弯曲而波动的宇宙，一种最隐秘的宇宙涟漪——引力波
，将成为人类洞察宇宙世界的秘密通道。这个宇宙是爱因斯坦发现的，从这个
意义上来说，我们的宇宙就是爱因斯坦的宇宙。

上篇：这是一个弯曲的空间

月球为什么不离开地球，地球为什么不离开太阳，恒星为什么不离开星系
？牛顿说，那是因为万有引力；爱因斯坦说，那是因为空间在弯曲。牛顿认为
，引力就像联系宇宙万物的纽带，将物体拴在空间中运动不止；爱因斯坦认为
，引力其实不是一种真正存在的力，而是看不见的空间弯曲不平造成的假象。
从广义相对论提出以来，越来越多的实验和天文观测结果都在表明，我们这奇
异而美丽的宇宙，到处都是坑洞，到处都是坡坎，到处都是褶褶叠叠的弯曲。

在镜子中放大的宇宙——弯曲空间中的引力透镜效应

当你凝视星空的时候，你会感到自己很渺小而宇宙如此宏大，你会惊叹宇
宙像一个复杂的难解之谜一样幻象万千。但是，真正的宇宙也许并不是你所想
象的那样广袤无边，也不是你眼中看到的那样拥挤嘈杂。在一个立满哈哈镜的
屋子里，空间可以被无限放大，房间中的事物也可以反复出现，满世界都变得
热闹非凡。我们的宇宙太空，也立满了这样的哈哈镜，那就是天文学家眼中的
“引力透镜”，它让星系光影交错，让空间繁复莫辨，让物体虚实共存。这其
实是空间弯曲后最奇诡的特性。

在1979年以前，关于空间弯曲在宇宙中形成庞大的引力透镜的观点，还只
是爱因斯坦理论上的推测。他预言，在一些具有大质量星系聚集的太空区域，
空间会像一张“橡皮毯子” 被铁球一般的大质量天体压出凹陷，原本笔直经过
的光线在这里也要沿着凹陷的空间转弯，产生像凸透镜一样使光线转弯的效应
，并最终汇集起来。实际上，这将得到跟我们透过照相机看物体一样的效果，
在我们的底片上将落下另一个有光的影像。但是这个透镜比较怪，越靠近中心
部位的地方聚焦能力越强，越远离它聚焦能力越弱。因此爱因斯坦预言，如果
我们观察的位置选取得当，将可以同时看见遥远星体的数个虚像。

这个有趣的推测在1979年得到了证实。科学家们首次观察到银河系外一个
遥远明亮的类星体Q0597+561，被它前面一个较大的星系挡住了，这个巨大星系
对空间的弯曲使类星体Q0597+561穿过附近的光芒转折、汇集，形成了另一个一
模一样的类星体影像。这个类星体和它的像在宇宙中看起来像一对双胞胎紧紧
靠在一起，形成虚实莫辨的奇观。

但是与所谓的“爱因斯坦光环”比较起来，这种只形成单个星像的景观实
在太平常了。如果观察者恰好站在远方发光星体、星系引力透镜所成的一条直
线上，将能够从上到下、从左到右地看见星像连续出现在天空中，形成一圈由
星星组成的光明耀眼的环，就像晚会表演时观众手里拿的荧光圈一样。哈勃望
远镜观看到的牛眼星云，其实就是一个典型的爱因斯坦光环。并且当引力透镜
对远方星体聚焦后，产生的新的星体像会比星体本身明亮数百数千倍。如果你
有足够的能力将黑洞、中子星或者大质量的星系移动，你就随意控制了一个硕
大无比威力无穷的放大镜了，你可以用它来汇集太阳光芒，就像你用放大镜聚
焦阳光点燃一张纸一样，你可以制造一个比太阳灼热几千倍的亮点，当地球碰
到亮点时，就像水滴落在烧红的铁板上一样，“滋啦”一声地球烟消云散了！

因为引力透镜的出现，天空更加热闹，各种星体的面貌更加离奇，有的星
光被放大，有的星体仿佛被克隆，整个宇宙都呈现出虚幻的放大，在这样的空
间里，你能够不被迷惑吗？我们又该怎样理解“有限无界”宇宙的真正来由？
牛顿所设想的平直空间是无法解决这些疑问的，平面透镜一样的空间不会形成
哈哈镜中的奇迹，也无法帮助人们识别谁是星体中的“真假美猴王”。只有爱
因斯坦设想的弯曲、崎岖的空间——虽然我们无法用肉眼感知它——才能告诉
我们真实的一切。

陷阱里，鬼魅般闪耀的光芒——弯曲空间中光的红移与蓝移

经过弯曲空间的光线产生的引力透镜效应，看起来好像被一种力量暂时劫
持了一样。那么当光线垂直落入弯曲空间中时，会发生什么情况呢？

光的颜色丰富多彩。但每一束光的颜色一般是不会改变的，所以，人们才
能利用不同颜色的光做成信号，如以红绿灯来指挥交通，以穿透力强的红色氖
灯在迷雾中引导飞机和船只航行等等。但是，假设我们人类可以像在地球上一
样生活在中子星甚至黑洞上面，希望依靠光的颜色来传递信息的梦想将永远不
可能实现，因为在强引力场中，按照与空间弯曲的不同走向，光的颜色会发生
不同程度的改变，产生所谓的“光的红移或者蓝移”现象。人们发现光有这样
的特性，它的速度是绝对不变的，但它的频率或者波长能够改变，影响光子能
量的惟一因素就是频率，也就是它的颜色。颜色越暗红，频率越小，能量就越
低，反之，颜色越蓝紫，频率越高，能量也就越高。当光子失去能量时，频率
降低、波长变长，颜色变红，物理上把这种现象叫做“红移”；相反，如果获
得了能量，光的特征就会反着改变，而颜色也变得更幽蓝，这叫“蓝移”。

还让你回到我们未来设在中子星上的城市，你马上就会发现自己到了一个
到处是鬼魅光芒的世界：海边巨大灯塔发出的本来橘黄色的光芒，你越远离它
，它就越变越橙红、褐红、暗红直到不再发出光芒；而正朝在灯塔上守望的你
驶来的船只上橘黄色的信号灯光，你将发现越来越绿、越蓝、越紫直到变成刺
眼的电弧一样的闪光，最后你也会看不见灯光了，不过不是它太暗了，而是变
成了X射线甚至伽马射线，超出了你的视觉范围。地球上如此稳定的光的颜色，
为什么在中子星上就变成了最捉摸不定的鬼魅呢？

爱因斯坦的广义相对论告诉我们：引力场对于质量是一种陷阱，空间在那
里弯曲，有质量的物体会自然地沿着倾斜的陷阱壁下落。对于光线也是这样的
。中子星上的灯塔使它的周围空间凹陷成倾斜的井，光在这样的陷阱中，当沿
着井壁下滑时，它就获得了能量，就像人顺着斜坡下滑一样，人体会获得更大
的能量；相反，要从井底爬上来，你要消耗很多能量。越靠近巨大质量的地方
，空间弯曲越厉害，越陡峭，光线在这个井中运动时获得能量与消耗能量越厉
害。所以你就自然地看到了光的颜色在中子星上剧烈地变化。

其实，中子星只是地球上情景的夸大。我的地球上一样存在这样的现象，
只是微小得任何人都无法去感觉，因为地球质量所引起的空间弯曲非常微不足
道。但是，我们的仪器能够感觉到。

所有的光都属于电磁波，引力场中光子的行为改变可以用各种电磁波来实
验。20世纪60年代，哈佛大学的研究者们将一个发射伽马射线的放射性铁块放
置在20米高的塔尖上，当他们在地上测试接受到的射线时发现，伽马射线的频
率的确变强了，产生了蓝移现象；反过来，在塔顶测试塔底下传过来的射线发
现，其能量损失了，频率降低，产生了红移。所以你在自己家中看见的节日的
灯火颜色，和你在太空飞船或者月球上俯视它们时看见的颜色一定不一样(如果
你能看见的话)，光在地球的空间陷阱中“爬”到月球上你的眼中时红移了。

行星，在看不见的井中飞驰——弯曲空间中的水星进动

即使如光子这样急速而又极轻的物质也会驯服地被空间摆布，更不用说那
些行星恒星等天体了。用万有引力来解释天体运动，总是很虚幻而抽象，但当
你想到它们不过是在倾斜的空间舞台上转动时，不但能够形象地感知，而且会
觉得更合理。

被摇动的骰子可以在碗沿上转动而不落到碗底；驾驶摩托车前进的井底飞
车演员可以在倾斜的井壁上转圈而不摔落下来。一旦它们都停止前进，只有一
个结果：落到最低处。我们的地球以每小时10万多公里的速度绕太阳公转，如
果它停下来，不但马上失去四季更替的自然景观，而且将携带着所有生命落入
太阳的熔炉中化为乌有。对于地球是这样，对于太阳系的其它行星也是这样，
这就是行星公转运动的必要性。为什么行星停止公转就必然落入太阳的熔炉中
呢？因为太阳利用自身重量在它的周围空间制造了一个凹陷的陷阱，地球和其
它行星像一个个弹珠一样在这个陷阱的边缘向前快速滚动而不至于落入井底的
太阳中。

当然，有人一定马上跳出来反对这样的说法，他们列出的理由是：应该是
牛顿的万有引力像一根无形的绳子一样牵住了地球在绕行，就像你用绳子拉住
一个铁球转圈一样简单。但是在解释水星的进动现象中，牛顿的引力定律遭受
了彻底的失败。

1846年，法国巴黎天文台的青年天文学家肋维烈根据天王星的运动，采用
万有引力公式进行计算准确预测了海王星的位置，这使他更坚信太阳系内还有
新的行星没有被发现，并把目光转向了水星轨道以内。他很快发现，水星绕太
阳的轨道并不是固定不变的，而是每转一周，其椭圆轨道的长轴便会像时钟上
的时针一样前进一点，形成所谓的“水星近日点进动”现象(如图示)。水星近
日点进动幅度很小，在天空中每年约挪动0.12度的位置，相当于时针在钟面上
走了面前书中逗号大小的1/6，这样大约每3002年水星的长轨道轴将会像走动的
时针一样转过整整一圈。按照发现海王星的经验，这就意味着水星轨道内还有
一颗未知的行星。这个发现使肋维烈十分兴奋，他甚至为它取好了名字叫“祝
融星”。可是直到肋维烈去世后的100年中，所有根据牛顿理论寻找“水内行星
”的努力都只是竹篮打水。“水星近日点进动”现象成了牛顿引力理论无法破
解的谜。

直到1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，并用这个理论计算出水星的近
日点进动幅度与当时的观测值只有千分之二的误差，达到惊人的一致。爱因斯
坦是这样用相对论来描述水星进动的：水星最靠近太阳，这里的引力场比其他
行星所处的引力场强多了，时空也就弯曲得更厉害，形成一个陡峭的深井。特
别是在近日点，水星不得不在那里下陷得更靠近太阳，就像飞车在更陡直的井
壁下滑了一段距离一样，这段距离改变了它的轨道。其实后来测量到地球、金
星等行星都在近日点有进动现象。这使我们相信，行星的运动不是平面运动，
它们在空间里转圈的同时，还顺着倾斜的弯曲空间下滑。

对空间弯曲的崭新认识，使人们抛弃了寻找“祝融星”的陈旧观点，也使
人们认识到牛顿建立在平直空间认识上的万有引力理论不过是对宇宙小范围观
测上的近似处理。

时空为什么这样崎岖？

空间为什么会弯曲，在弯曲的空间中物体究竟怎样行走才能最省力省时？

空间弯曲在常态下是不容易感知的，而像黑洞和中子星这样的极端环境人
们又无从达到。所以在人类连续几千年的智慧中，都没有实现过对空间弯曲的
感知。包括牛顿，他把平直的引力观念推广到了整个太阳系，并认为可以推广
到整个宇宙。是爱因斯坦从那种错误中将真理拯救了出来。爱因斯坦认为，空
间是四面八方立体交错的有纹理织物，是一张厚厚的看不见的网，在这样的网
中，任何物体也不可能真正实现自由运动，而且我们眼中看见的物体因为吸引
产生运动的动力其实甚至不是一种力，而是处在时空倾斜情况下的必然行为。

牛顿曾经无法弄清引力是怎么回事，他只好把引力的来源归之于“上帝”
。只有爱因斯坦的相对论，才使人们明白，空间曲率才是引力现象真正的原因
。在这个曲面中，我们中学一直学习的平面几何理论都只是对空间弯曲极小情
况下的近似描述。所以一到弯曲厉害的空间中，它就完全失灵甚至成为彻底的
谬论。

有了物质才有空间，但空间又与物体截然不同。空间为物体存在提供了一
个支撑的舞台，这个舞台的形状只会被质量改变，密度越大质量越大的物体，
在空间舞台上会凹陷得越深，这就跟在一块橡皮毯子上放一个哈密瓜和一个同
样大小的铅球一样，后者会把毯子压出一个深深的坑。不过，我们的空间才不
是像橡皮一样柔软呢，虽然你能非常自由地在地面上穿行。让空间发生形变的
难度有多大？我们让一块钢板发生弯曲、凹陷这样的形变已经很困难了，但让
空间发生同样形变的难度是钢板的1032倍。这个数字在牛顿看来是无穷硬，是
不可弯曲的，但爱因斯坦告诉我们，不管使空间有多难，它总有一个度。所以
在空间的毯子上面放上一个太阳，它产生的凹痕也只有几个原子大小！但黑洞
就不同了，它能将附近的空间拉过来包住自己，所以你看不见黑洞，只能发现
它周围的空间捂得严严实实。

总之没有质量的地方空间确实是非常平直的，是质量改变了这一切，而质
量无处不在，所以空间无处不崎岖。

作者：快活王 在海归商务发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com

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