无极残篇之七十九 相对论中的空间扭曲

原著：无极道人

生死轮回一场梦，

迷悟只在一念间。

俊鸟出笼游太虚，

大道无极任逍遥。

我们前面讲暗物质与暗能量共同构成并控制着整个宇宙。暗物质可以转化为普通物质，宇宙中的一切物质都来源于暗物质，小到微观的基本粒子如电子，原子，分子等，大到宏观的宇宙天体如行星，恒星，星系等。暗能量可以转化为普通能量，宇宙中的一切能量都来源于暗能量，比如微观的射线、微波、光波、电磁波等，宏观的声波与引力波等。我们前面曾经讲，微观世界以能量和物质为基本属性，宏观世界以时间和空间为基本属性，所以暗物质形成的宏观宇宙天体，就产生了相对论中的空间扭曲现象，下面我们分析讲解。

在二十世纪以前的经典物理学里，人们采用的是牛顿的绝对时空观，其背景时空是平直的，曲率张量为零，只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题。而相对论的提出改变了这种时空观，广义相对论的背景时空则是弯曲的（如图所示），曲率张量不为零，涉及到空间中大质量物质会对时空曲率张量产生影响等问题，引力透镜效应就是其中之一。

广义相对论认为物质决定时空，引力可以使光线发生弯曲。在宇宙中，由于空间在大质量天体附近会发生扭曲，造成光线沿弯曲空间的短程线传播，使得前景的大质量天体能够增亮或扭曲视线上背景星系的图像，其原理非常类似光学透镜的作用，因而称为引力透镜效应（如图所示）。如果起引力透镜作用的天体是一个星系，那么它对光的弯曲作用可以产生更遥远天体的多重像（虚像），形成类星体或星系等。如果起引力透镜作用的天体是一个比较小的暗天体，那么它在一颗较远恒星前经过时，会使得恒星短暂增亮，就是较小规模的引力透镜效应。

这种由单个恒星造成的引力透镜也叫做微透镜。1979年，天文学家观测到类星体Q0597+561发出的光在它前方的一个星系的引力作用下弯曲，形成了一个一模一样的类星体的像，这是第一次观察到引力透镜效应。1993年，天文学家利用微透镜效应观测到银河系中存在一种暗物质，称做MACHOs（致密暗天体）。

与光在宇宙中传播相关的内容还有光波的多普勒效应。多普勒效应是指物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化，在运动的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高，称为蓝移；在运动的波源后面时，会产生相反的效应，波长变长，频率变低，称为红移（如图所示）。而且波源的速度越高，所产生的效应越大，所以根据波移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

具有波动性的光也会出现这种效应，并且可以利用这种效应测量恒星的相对运动速度。但光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化体现在颜色的变化，如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移（如图所示）。

科学家通过天文观测，发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，移向光谱的红端，发生红移。天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。所以利用光波的多普勒效应，科学家得出宇宙正在膨胀的结论。

但是，如果我们用暗物质与暗能量来重新理解引力透镜效应和多普勒效应，就会发现我们观测到的现象有可能是失真的。我们前面讲暗物质就是宇宙空间中均匀分布的点，暗能量就是点与点之间的相互作用力，点与点之间的距离减小表现为斥力，点与点之间的距离增大表现为引力。相邻的点与点相互连接，就可以构成物质，物质内部点与点之间的距离减小，而物质附近的点与点之间距离变大。这时候，暗能量在物质内部表现为点与点之间的斥力，在物质周围的一定范围内则表现为点与点之间的引力（如图所示）。

大质量天体周围的暗能量表现为点与点之间的引力，这就形成了引力场，造成了相对论中的空间扭曲现象。这种空间扭曲的实质就是暗物质的分布不均，形成了密度差，光波在不同密度的介质中传播会形成折射，就产生了引力透镜效应。而光波的多普勒效应也是由于密度差引起的（如图所示）。

由上图可以看出，外部空间的光波进入引力场都会发生红移，那么地球处于恒星太阳的引力场之中，观测到外部空间进入的光波发生红移，是因为恒星的相对远离产生的，还是由引力场本身产生的，我们并没有进行区分。所以，暗物质的分布不均造成的空间扭曲，使得我们在太阳系内部观测外部空间，看到的现象都是失真的，这就是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。

利用暗物质与暗能量的关系可以解释量子纠缠现象，有兴趣的可以自己思考。

无极道人乘鹤去，

空留残篇八十一。

谁能解得其中意？

不枉人间走一回！