作者/刘永坤本文转载自案例科学期刊《黑洞旅行团，出发！（上）——弯曲的光与重力透镜》
在严峻的疫情下，我们虽然不能亲自出行，但我们的想象力也不能被轻易束缚。今天我们就去浩瀚的宇宙，那里散落着无数巨大的天体，它们扭曲了经过的光线，形成了各种独特的景象。在本文中，我们将带领读者了解光是如何弯曲的。
电影《星际效应》中，给人印象深刻的一个画面是主要人物在航天飞机中靠近黑洞时看到的黑洞场景(图1)。但是，以人类目前的太空实力，仍然不可能离开太阳系，更不可能到达巨型黑洞附近。这一幕只是纯粹的虚构吗？不，它通过物理理论把我们的认知延伸到遥远宇宙的另一边，使我们能够推测黑洞旅行团在遥远的未来会看到什么！
图一。《星际效应》“巨人”黑洞附近的景色。版权所有：华纳兄弟公司黑洞附近的独特景象是由于其巨大的引力。所以在讨论黑洞场景之前，我们首先要了解描述引力的理论，也就是著名的广义相对论。广义相对论使人们能够理解宇宙中的各种现象。其中一个重要的见解是：“引力的本质是时空的弯曲”。这句话似乎很抽象。下面举个例子，试图让读者认识到力和时空弯曲这两个看似不相关的东西是如何联系在一起的。
00-1010假设有两个蚂蚁探险家。在他们眼里，地球是一个巨大的平面。有一天，他们约好从赤道上两个不同的位置出发，手持指北针，约好一起向正北走，以同样的速度前进。在他们的心目中，地球是一个平面，所以两个人同时向北走，路径会相互平行，永远不应该相遇(图2 A)。但是几个月后，他们在北极相遇了，并且非常惊讶。为了解释这一结果，他们总结道：“因为地球是平的，所以我们会相遇，这意味着我们之间存在某种吸引力，把我们越拉越近(图2B)”。但是从第三人称的角度，我们可以看到他们两个最终相遇，不是因为他们互相吸引，而是因为他们的地球是曲面而不是平面。似乎力和我们想象的空间曲率无关！
图二。两个蚂蚁旅行者在正北相遇，因为两条轨迹在平面上相互平行，所以永远不会相遇(A)。但是在球面上，两个人会在北极(B)相遇。因为他们认为自己在一个平面，所以会认为他们相遇是因为彼此吸引，这样会使他们的轨迹弯曲。爱因斯坦伟大的洞察力在于，他意识到我们无时无刻感受到的引力，其实是质量物体导致的附近时空的弯曲；因为我们认为时间和空间是平的，所以我们把它解释为一种“力”，就像两只蚂蚁探险者一样。细心的读者可能会注意到，我们在这里用“时间和空间”而不是“空间”。在相对论中，时间和空间不再相互独立，而是可以相互影响。
读者可能会疑惑：引力是一种力还是时空的弯曲？听起来像是解读角度的不同。有什么实质性的区别吗？其中一个主要区别在于对“光”的影响。经典引力理论：牛顿力学，对光经过大质量天体附近时路径会如何变化的预测，与广义相对论的结果并不一致。1919年日食发生时，爱丁顿爵士朝太阳方向观察，发现自己竟然能看到本该被太阳遮挡的星星。原因是太阳的引力使附近的时空发生弯曲，而远处的星光在经过该区域时使其路径发生偏转，这让我们有机会在地球上看到它。
物体附近的时空弯曲程度会和它的质量有关。因此，当光线经过质量更大的天体附近时，路径会发生更大的变化。这种效应就像光线通过透镜时的偏转(图3)。在天文学中，人们会用透镜和镜子组成的望远镜来观测遥远的天体。能否利用这些天体形成的“透镜”来观测宇宙？答案是肯定的，这是天文学和宇宙学领域正在蓬勃发展的一种观测方法：引力透镜。
图3。当遥远的星光穿过大质量天体时，发出的光会像透镜一样弯曲，让我们看到地球上本该被遮挡的星星。
力与弯曲空间
根据光的弯曲程度(也代表透镜天体的质量)，引力透镜可分为微重力透镜、弱引力透镜和强引力透镜。其中，强引力透镜由于光线弯曲程度大，对于地球上的观测者来说，可以看到非常有趣的图像。比如爱因斯坦的十字架，爱因斯坦的戒指。对这个话题感兴趣的读者可以参考[3]，里面有简单的解释。
因为光的偏转程度，与经过的天体质量有关。因此，如果我们很好地了解了光源的性质，引力透镜就可以反过来为我们提供透镜天体的质量信息。这尤其适用于测量暗物质的分布。因为暗物质只是通过引力和其他物质起作用，不会发出任何电磁波。要“看见”它，只能通过引力的作用才能看见。如果我们在宇宙中找到某个区域
有非常大的质量，造成通过的光轨迹有所偏移，但是我们又无法在该区域中，利用各种电磁波望远镜，看到可识别的天体，那很可能那裏有緻密的暗物质；再透过分析光线的弯曲情形，科学家们便可以推测出其中的暗物质质量分布。
在本篇文章中，我们向各位读者介绍了光是如何受到重力的弯曲，以及相关的应用。这个效应在黑洞附近会更为剧烈，在下一篇文章中，我们将会介绍该如何「模拟」黑洞附近的景象。
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