[科学技术]苹果因为引力落地？ 这会不会是错觉

光的时间空弯曲和重力偏转

用引力微透镜搜索行星 从牛顿时代开始，引力就出现在科学研究的各种场合。最近，它帮助人类“看到”了银河系以外的行星。俄克拉荷马大学的天文学家最近发表了一篇论文，称他们利用美国宇航局空的钱德拉x射线卫星的数据和重力微透镜效应，在距离我们38亿光年的星系中找到了许多行星。这是人类首次发现银河系以外的行星。

引力不是物质之间不断的吸引吗？为什么它能帮助科学家“看到”行星？它的本质是什么？

让苹果落地，让行星绕太阳运转

提到重力，人们总会想到苹果落地的故事。故事讲的是牛顿在努力思考行星运动的时候，坐在苹果树下，一个苹果掉在他面前，让他意识到，导致苹果落地的重力，就是让月球绕地球运动的力；地球不仅吸引苹果，还吸引地球表面的所有物体，包括遥远的恒星。

如今，这个故事的真实性备受争议，也没有办法证明。然而，可以肯定的是，提出万有引力的过程并不像灵感顿悟那么简单。

早在17世纪初，开普勒就根据第谷·布拉赫的观测资料，总结了太阳系行星的运行规律，提出了行星运动的三大定律。这三个定律分别与太阳系行星的轨道形状、运行速度和运行周期有关，解释了行星运动的轨道规律。

开普勒的行星运动三定律真的让太阳成为太阳系行星轨道的中心，让科学家们开始思考行星为什么围绕太阳运动。是什么支配着他们的动作？

牛顿在17世纪60年代开始思考这个问题。他根据开普勒第三定律计算出，行星保持围绕太阳运动所需的力与它们与太阳距离的平方成正比。这是引力的雏形。

但直到1687年，万有引力才被系统地提出。在这20年间，牛顿对行星的椭圆轨道与距离平方成反比的力之间的关系进行了深入的研究，并考虑了引力的普适性。

1687年，《自然哲学的科学原理》出版。在这部伟大的科学著作中，牛顿提出了三大运动定律和万有引力定律。他认为两个物体之间存在相互吸引，这就是万有引力。力与两个物体质量的乘积成正比，与物体间距离的平方成反比。从万有引力定律可以推出开普勒三定律。这说明行星在恒星间万有引力的控制下运动。

万有引力的提出揭开了日月星辰运动的内在奥秘。它已经成为人类理解和认识世界的重要基石。牛顿本人用万有引力定律解释了潮汐、行星进动等现象。牛顿的朋友哈雷用它预言了哈雷彗星的返回周期，法国天文学家列维用万有引力计算出海王星的存在。在航空/航天中起重要作用的第一、第二、第三宇宙速度也有万有引力定律。

值得一提的是，在牛顿的万有引力公式中，有一个万有引力常数g，直到万有引力出现100多年后，才由英国科学家卡文迪什用精心设计的扭秤测得，使得万有引力定律更加完善。

它本质上并不存在，它只是时间的幻觉，空

牛顿的万有引力理论虽然一度被认为是极其精确和完善的理论，但也有其局限性。比如，它不能解释什么是引力。有些自然现象是牛顿引力无法解释的。

天文观测已经发现水星轨道近日点以非常慢的速度绕太阳运动，这就是水星近日点进动。根据万有引力定律，可以计算进动速度。但是进动速度和实际观测得到的精确值是有差别的，差值是每100年43角秒。为了弥补这个差异，科学家们做了各种尝试，比如假设水星附近还有另一个会影响其轨道的火神，或者修正重力平方反比关系，或者采用电磁理论来解释。这些尝试都没有得到证实，直到爱因斯坦出现。

1905年，爱因斯坦完成了基于光速不变原理的狭义相对论的创造，预言了物体高速运动时会出现牛顿经典物理所不具备的相对论效应。十年后，划时代的广义相对论问世，针对的是引力的起源和本质。

与牛顿理论不同，在广义相对论中，时间和空不再是相对独立的。考虑物体运动的场景不再是一个三维的空房间，而是一个与时间依次相关的四维空room-hour/ききよ0/0，物体的运动会影响时间空.

这两种空非常不同。牛顿的三维空是欧几里得直线空，牛顿的所有经典物理理论都基于此。爱因斯坦的四维时间空可能不是直的——它可能是由球面空表示的正曲率，或者是由马鞍面空.表示的负曲率空时间的曲率是由其中的物质决定的。

爱因斯坦写的广义相对论的场方程正好说明了这种关系:物质的能量和动量会使时间空弯曲。它的运动方程解释了物质在此时空.的运动规律

在弯曲空.的过程中，许多规则已经改变比如两点间最短的线不再是直线，而是称为测地线的曲线。在这方面，最直观的例子就是北京到美国洛杉矶的最短路线，并不是直接向东穿越太平洋，而是先飞向东北再折回东南进入美国大陆。原因是飞机沿着一个三维球体飞行，两地之间最短的路线是通过两地和地心所做的大圆弧，曲折的路线是它在二维地图上的投影。

弯曲空的物质运动也不同于我们的直观理解。从爱因斯坦的运动方程出发，可以求解弯曲空之间没有外力的自由粒子的轨迹，这是四维时间空.中的螺旋曲线如果它被投射到三维空，它恰好是行星在太阳引力作用下的椭圆轨道。也就是说，行星围绕太阳的运动只是它在四维时间空中的惯性运动，它根本不需要任何万有引力。

爱因斯坦创立广义相对论的动机之一是引力不能纳入狭义相对论的理论框架。在他的新理论中，引力的最终结果其实是不存在的！

人们经常用床单来比喻这种情况。我们的time/きだよきだよ0/就像一张平板。把一个镜头放在薄片的中心，薄片就会下垂，就像广义相对论空.中物质弯曲的时候一样小球如果放在下陷的薄片上，会向铅球方向滚动，好像是被铅球吸引了。事实上，球的运动只是由于空.之间的几何效应牛顿认为几乎无处不在的引力本质上是不存在的。

建造最精密的望远镜来寻找遥远的行星

有了广义相对论，水星近日点进动问题就很容易解决了。爱因斯坦计算的水星近日点进动速度与观测值完全一致。当爱因斯坦发表他的广义相对论时，他还预言，由于时间空的弯曲，从太阳表面飞出的光子会发生红移，而遥远恒星的光在经过太阳附近时会发生偏转。这些预言被后来的观测一一证实，证实了广义相对论描述世界的准确性。尤其是光的引力偏转。虽然牛顿引力理论也可以计算光的偏转角，但是计算结果的偏差太大，就像水星近日点进动问题一样。

引力透镜效应是光的引力偏转的表现。一个巨大的天体(透镜天体),比如一个星系，会使它附近的空时间弯曲。当后面的背景天体的光通过这个弯曲的时间空时，光将被偏转，就像当光通过透镜时一样。根据背景天体、透镜天体和观测者之间不同的位置关系，最终会在观测者的眼中形成多个像或环像。1987年，美国天文学家杰奎琳·休伊特首次观测到引力透镜形成的环像——爱因斯坦环。如今，人类已经看到了许多类似的引力透镜图像。

引力透镜对光线偏转的角度取决于透镜天体的质量。如果镜头天体质量不够大，比如只是一颗恒星，会发生什么？这就是重力微透镜效应，可以帮助天文学家找到行星。

计算表明，具有恒星质量的透镜天体产生的爱因斯坦环非常小，即使是最先进的望远镜也无法分辨。人们看到的只是由于引力微透镜效应而变亮的背景天体。而且引力微透镜形成的图像最多只存在几年，相对于引力透镜图像的存在时间来说稍纵即逝，引力透镜图像的存在时间往往长达数百万年。

虽然很难观察到，但天文学家发现引力微透镜可以显示其在寻找地外行星方面的天赋。当恒星质量物体经过背景物体前方时，引力微透镜会使背景物体在短时间内看起来更亮，这是由光度曲线上的一个凸峰反映出来的。然而，如果在观测到的光度曲线上出现一个以上的峰值，这意味着恒星附近还有其他小质量的物体，如行星。利用这个特征，我们可以判断一颗地外行星的存在，并分析它的质量和与恒星的距离，即使这颗行星从未在望远镜中出现过。

如果我们把引力微透镜比作望远镜，它的优势是显而易见的，例如，它允许人们探索更遥远的行星世界。2003年，两个研究小组首次以这种方式发现了距离地球16000光年的地外行星。在最新的发现中，天文学家创新性地使用了重力微透镜方法，将人类寻找行星的范围扩展到了银河系之外。

简单来说，在最新的研究中，天文学家综合利用引力透镜和引力微透镜效应来寻找行星。星系的引力透镜效应使其背后的背景天体形成多个虚像，星系中恒星和行星产生的引力微透镜效应使这些虚像的光度和谱线频率发生变化。观测和模拟结果表明，在距离地球38亿光年的rxj1131-1231星系中心，有一组行星，其质量介于月球和木星之间。这种由引力微透镜制成的“望远镜”比地球上和空天空中精度最高的观测仪器具有更高的精度，这使得人类首次在其他星系中发现了行星的证据。