原標(biāo)題：蘋果因?yàn)橐β涞兀?這會(huì)不會(huì)是錯(cuò)覺
從牛頓時(shí)代開始，引力便出現(xiàn)在科學(xué)研究的各種場(chǎng)合。而最近，它幫助人類“看”到了銀河系外的行星。美國俄克拉荷馬大學(xué)的天文學(xué)家近日發(fā)表論文稱，他們利用美國國家航空航天局錢德拉X射線衛(wèi)星的數(shù)據(jù)以及微引力透鏡效應(yīng)，在一個(gè)距離我們38億光年的星系中找到了一批行星，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)銀河系外行星。
引力不是物質(zhì)之間剪不斷的相互吸引嗎？它為何能幫助科學(xué)家“看見”行星？它的本質(zhì)到底是什么？
讓蘋果落地，也讓行星繞轉(zhuǎn)太陽
提起引力，人們總會(huì)想起蘋果落地的故事。故事說的是坐在蘋果樹下的牛頓正為行星運(yùn)動(dòng)問題苦思冥想時(shí)，一個(gè)蘋果落在他面前，使他頓悟到使蘋果落到地面的重力，正是使月球圍繞地球運(yùn)行的力；地球不僅吸引著蘋果，也吸引著地球表面上的一切物體，包括遙遠(yuǎn)的星星。
如今，這個(gè)故事的真實(shí)性頗受爭(zhēng)議，而且已經(jīng)無從考證。不過可以確定的是，引力的提出過程，并不是靈感式的頓悟那樣簡單。
早在十七世紀(jì)初，開普勒根據(jù)前人第谷·布拉赫的觀測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出太陽系行星運(yùn)行規(guī)律，并提出行星運(yùn)動(dòng)三大定律。這三大定律分別涉及太陽系行星的軌道形狀、運(yùn)行速度以及運(yùn)行周期，對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的軌道規(guī)律進(jìn)行了說明。
開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律真正使太陽成為太陽系行星軌道的中心，也讓科學(xué)家開始思考，為什么行星會(huì)圍繞著太陽運(yùn)動(dòng)？是什么支配著它們的運(yùn)動(dòng)？
牛頓從十七世紀(jì)六十年代開始思考這一問題。他從開普勒第三定律推算出，行星保持圍繞太陽運(yùn)動(dòng)所需要的力與它們到太陽距離的平方成正比。這便是萬有引力的雛形。
但系統(tǒng)地提出萬有引力，要等到1687年。在這20年間，牛頓對(duì)行星橢圓軌道以及與距離平方成反比的力之間的相互關(guān)系進(jìn)行了深入研究，并對(duì)引力的普遍性進(jìn)行了思考。
1687年，《自然哲學(xué)的科學(xué)原理》出版。在這一科學(xué)巨著中，牛頓提出了三大運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律。他認(rèn)為，兩個(gè)物體之間存在相互的吸引力，這就是萬有引力。這個(gè)力的大小與兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與物體間距離的平方成反比。從萬有引力定律，可以推導(dǎo)出開普勒三定律。這說明行星正是在星體之間的萬有引力支配下運(yùn)動(dòng)。
萬有引力的提出，揭開了日月星辰運(yùn)行的內(nèi)在奧秘。它成為人類理解和認(rèn)識(shí)世界的重要基石。牛頓本人用萬有引力定律對(duì)潮汐、行星歲差等現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，牛頓的好友哈雷利用它預(yù)言了哈雷彗星的回歸周期，法國天文學(xué)家勒維耶則由萬有引力推算出了海王星的存在。對(duì)航空航天事業(yè)發(fā)揮重要作用的第一、第二、第三宇宙速度的推算，也都有著萬有引力定律的身影。
值得一提的是，在牛頓的萬有引力公式中，有一個(gè)萬有引力常數(shù)G。直到萬有引力問世一百多年后，它才由英國科學(xué)家卡文迪許用一個(gè)設(shè)計(jì)精妙的扭秤測(cè)出，使萬有引力定律更趨完善。
本質(zhì)上不存在，只是時(shí)空的錯(cuò)覺
雖然一度被認(rèn)為是極其精確、完美的理論，牛頓的萬有引力理論也有它的局限。比如，它無法解釋引力的本質(zhì)是什么。還有一些自然現(xiàn)象，牛頓的萬有引力也無法解釋。
天文觀測(cè)早已發(fā)現(xiàn)，水星軌道的近日點(diǎn)以十分緩慢的速度圍繞太陽發(fā)生位移，這被稱為水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。根據(jù)萬有引力定律可以計(jì)算出這種進(jìn)動(dòng)的速度，然而它與實(shí)際觀測(cè)得到的精確數(shù)值之間存在差異，每一百年的差異值為43角秒。為了彌補(bǔ)這一差異，科學(xué)家做了各種嘗試，比如假定水星附近還有一顆會(huì)影響其軌道的“火神星”，或者對(duì)引力的平方反比關(guān)系進(jìn)行修正，又或者采納電磁理論來進(jìn)行解釋。這些嘗試無一得到證實(shí)，直到愛因斯坦出現(xiàn)。
1905年，愛因斯坦以光速不變?cè)頌榛A(chǔ)，完成了狹義相對(duì)論的創(chuàng)建，預(yù)言物體在高速運(yùn)動(dòng)情況下，會(huì)出現(xiàn)牛頓經(jīng)典物理學(xué)中沒有的相對(duì)論效應(yīng)。10年后，劃時(shí)代的廣義相對(duì)論問世，目標(biāo)直指引力的來源和本質(zhì)。
與牛頓的理論不同，在廣義相對(duì)論中，時(shí)間和空間不再是相對(duì)獨(dú)立的存在。考量物體運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，不再是三維空間，而是時(shí)間與空間相互聯(lián)系的四維空間——時(shí)空。物體的運(yùn)動(dòng)反過來又會(huì)對(duì)時(shí)空發(fā)生影響。
這兩種空間很不同。牛頓的三維空間是歐幾里得平直空間，牛頓經(jīng)典物理學(xué)的所有理論都建立在這個(gè)基礎(chǔ)之上。愛因斯坦的四維時(shí)空則可能不是平直的——它可能是以球面為代表的正曲率空間，也可能是以馬鞍面為代表的負(fù)曲率空間，只有在曲率為零時(shí)它簡化為平直空間。而時(shí)空的曲率，由其中的物質(zhì)決定。
愛因斯坦寫下的廣義相對(duì)論場(chǎng)方程正說明了這種關(guān)系：物質(zhì)的能量、動(dòng)量會(huì)使時(shí)空彎曲。而其運(yùn)動(dòng)方程則說明了在這樣的時(shí)空中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
在彎曲時(shí)空中，很多規(guī)則都發(fā)生了變化。比如，兩點(diǎn)之間最短的線不再是直線，而是一條叫做測(cè)地線的曲線。對(duì)此，最直觀的例子是，從北京飛往美國洛杉磯距離最短的航線，并非向東直接穿過太平洋，而是先向東北方向飛行然后向東南方向折回進(jìn)入美國大陸的一條曲線。其中的原因在于，飛機(jī)是沿著三維球面飛行，兩地之間的最短線路是通過兩地和地心做出的一段大圓弧，曲折的航線是它在二維地圖上的投影。
彎曲時(shí)空中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)也與我們的直觀認(rèn)識(shí)不同。從愛因斯坦的運(yùn)動(dòng)方程，可以求解出不受外力的自由質(zhì)點(diǎn)在彎曲空間的軌跡，它是四維時(shí)空中的一條螺旋狀曲線。如果把它投影到三維空間中，恰好是行星在太陽引力作用下的橢圓軌道。也就是說，行星圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)，不過是它在四維時(shí)空中的慣性運(yùn)動(dòng)，根本不需要什么萬有引力。
愛因斯坦創(chuàng)建廣義相對(duì)論的動(dòng)因之一，是引力無法納入狹義相對(duì)論的理論框架。而在他的新理論中，引力的歸宿居然是不存在！
人們常用床單來類比這種情況。如果不考慮物質(zhì)對(duì)時(shí)空的影響，那么我們的時(shí)空就如同一張繃平的床單。在床單的中央放置一個(gè)鉛球，床單會(huì)凹陷下去，就好像廣義相對(duì)論中由于物質(zhì)而彎曲的時(shí)空。如果把一個(gè)小球放在凹陷的床單上，它會(huì)向鉛球的方向滾過去，似乎受到鉛球的吸引力。而實(shí)際上，小球的運(yùn)動(dòng)只是由于空間的幾何效應(yīng)。牛頓認(rèn)為幾乎無處不在的引力，本質(zhì)上是不存在的。
構(gòu)建最精密望遠(yuǎn)鏡，尋找遙遠(yuǎn)行星
有了廣義相對(duì)論，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題迎刃而解。愛因斯坦計(jì)算出的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)速度與觀測(cè)完美吻合。在發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)，愛因斯坦還預(yù)言，由于時(shí)空彎曲，從太陽表面飛出的光子會(huì)發(fā)生頻率紅移，遙遠(yuǎn)恒星的光在通過太陽附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏折。這些預(yù)言被之后的觀測(cè)逐一證實(shí)，印證著廣義相對(duì)論在描述世界方面的精確性。尤其是光線的引力偏折。雖然牛頓引力理論也能計(jì)算出光線的偏折角度，但和水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題一樣，計(jì)算結(jié)果偏差太大。
引力透鏡效應(yīng)正是光線引力偏折的表現(xiàn)。星系等大質(zhì)量天體（透鏡天體）會(huì)使它附近的時(shí)空彎曲，當(dāng)后方背景天體的光線從這彎曲的時(shí)空通過時(shí)，光線便會(huì)發(fā)生偏折，就好像光線通過透鏡時(shí)那樣。根據(jù)背景天體、透鏡天體、觀測(cè)者三者的不同位置關(guān)系，最終會(huì)在觀測(cè)者眼中形成多個(gè)像或者環(huán)狀像。1987年，美國天文學(xué)家杰奎琳·休伊特第一次觀測(cè)到了引力透鏡形成的環(huán)狀像——愛因斯坦環(huán)。如今，人類已經(jīng)看到很多類似的引力透鏡圖像。
引力透鏡對(duì)光線偏折的角度，取決于透鏡天體的質(zhì)量。如果透鏡天體的質(zhì)量不夠大，比如只是一顆恒星，情況會(huì)怎樣？這便是能幫助天文學(xué)家找到行星的微引力透鏡效應(yīng)。
計(jì)算顯示，恒星質(zhì)量的透鏡天體產(chǎn)生的愛因斯坦環(huán)非常小，即使最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡也無法分辨它。人們看到的，不過是因?yàn)槲⒁ν哥R效應(yīng)變得更亮一點(diǎn)的背景天體。而且微引力透鏡形成的像不過存在最多幾年時(shí)間，相比引力透鏡像動(dòng)輒上百萬年的存在時(shí)間，可謂轉(zhuǎn)瞬即逝。
雖然觀測(cè)困難，天文學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)微引力透鏡在尋找地外行星方面可以大顯身手。當(dāng)恒星質(zhì)量級(jí)天體從背景天體前通過時(shí)，微引力透鏡會(huì)讓背景天體在短暫的時(shí)間內(nèi)看起來更亮，反映在光度變化曲線上是一個(gè)凸起的波峰。但如果觀測(cè)到的光度變化曲線上出現(xiàn)不止一個(gè)波峰，那么說明恒星的附近還有其他小質(zhì)量天體，比如行星。利用這種特征，可以判斷地外行星的存在，分析它的質(zhì)量以及與恒星距離等參數(shù)，即使望遠(yuǎn)鏡中從沒出現(xiàn)過這顆行星。
如果把微引力透鏡比作一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，它的優(yōu)勢(shì)非常明顯，比如讓人們得以探索更遙遠(yuǎn)的行星世界。2003年，兩個(gè)研究小組第一次用這種辦法找到了地外行星，距離地球16000光年。在最新的發(fā)現(xiàn)中，天文學(xué)家創(chuàng)新性地使用了微引力透鏡方法，把人類尋找行星的范圍，延展到銀河系外。
簡單說來，在最新研究中，天文學(xué)家綜合利用了引力透鏡與微引力透鏡效應(yīng)來尋找行星——星系的引力透鏡效應(yīng)使后方背景天體形成了多個(gè)虛像，星系中的恒星和行星產(chǎn)生的微引力透鏡效應(yīng)，使這些虛像的光度和譜線頻率發(fā)生著變化。觀測(cè)和模擬結(jié)果顯示，在距離地球38億光年的RX J1131-1231星系中央，棲息著一群行星，質(zhì)量介于月球和木星質(zhì)量之間。用微引力透鏡造成的這臺(tái)“望遠(yuǎn)鏡”，精度超過地球上以及天空中精度最高的觀測(cè)儀器，讓人類首次在其他星系找到行星存在的證據(jù)。