我們的宇宙是一個(gè)彎曲而波動(dòng)的宇宙,，一種最隱秘的宇宙漣漪——引力波,，將成為人類洞察宇宙世界的秘密通道。這個(gè)宇宙是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的,，從這個(gè)意義上來說,，我們的宇宙就是愛因斯坦的宇宙。
上篇：這是一個(gè)彎曲的空間
月球?yàn)槭裁床浑x開地球,，地球?yàn)槭裁床浑x開太陽,，恒星為什么不離開星系？牛頓說,，那是因?yàn)槿f有引力,；愛因斯坦說，那是因?yàn)榭臻g在彎曲,。牛頓認(rèn)為,，引力就像聯(lián)系宇宙萬物的紐帶，將物體拴在空間中運(yùn)動(dòng)不止,；愛因斯坦認(rèn)為,，引力其實(shí)不是一種真正存在的力，而是看不見的空間彎曲不平造成的假象,。從廣義相對論提出以來,，越來越多的實(shí)驗(yàn)和天文觀測結(jié)果都在表明，我們這奇異而美麗的宇宙,，到處都是坑洞,，到處都是坡坎，到處都是褶褶疊疊的彎曲,。
在鏡子中放大的宇宙——彎曲空間中的引力透鏡效應(yīng)
當(dāng)你凝視星空的時(shí)候,，你會(huì)感到自己很渺小而宇宙如此宏大，你會(huì)驚嘆宇宙像一個(gè)復(fù)雜的難解之謎一樣幻象萬千,。但是,，真正的宇宙也許并不是你所想象的那樣廣袤無邊，也不是你眼中看到的那樣擁擠嘈雜,。在一個(gè)立滿哈哈鏡的屋子里,，空間可以被無限放大，房間中的事物也可以反復(fù)出現(xiàn),，滿世界都變得熱鬧非凡,。我們的宇宙太空，也立滿了這樣的哈哈鏡,，那就是天文學(xué)家眼中的“引力透鏡”,，它讓星系光影交錯(cuò)，讓空間繁復(fù)莫辨，讓物體虛實(shí)共存,。這其實(shí)是空間彎曲后最奇詭的特性,。
在1979年以前，關(guān)于空間彎曲在宇宙中形成龐大的引力透鏡的觀點(diǎn),，還只是愛因斯坦理論上的推測,。他預(yù)言，在一些具有大質(zhì)量星系聚集的太空區(qū)域,，空間會(huì)像一張“橡皮毯子” 被鐵球一般的大質(zhì)量天體壓出凹陷,，原本筆直經(jīng)過的光線在這里也要沿著凹陷的空間轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生像凸透鏡一樣使光線轉(zhuǎn)彎的效應(yīng),，并最終匯集起來,。實(shí)際上，這將得到跟我們透過照相機(jī)看物體一樣的效果,，在我們的底片上將落下另一個(gè)有光的影像,。但是這個(gè)透鏡比較怪，越靠近中心部位的地方聚焦能力越強(qiáng),，越遠(yuǎn)離它聚焦能力越弱,。因此愛因斯坦預(yù)言，如果我們觀察的位置選取得當(dāng),，將可以同時(shí)看見遙遠(yuǎn)星體的數(shù)個(gè)虛像,。
這個(gè)有趣的推測在1979年得到了證實(shí)?？茖W(xué)家們首次觀察到銀河系外一個(gè)遙遠(yuǎn)明亮的類星體Q0597+561,，被它前面一個(gè)較大的星系擋住了，這個(gè)巨大星系對空間的彎曲使類星體Q0597+561穿過附近的光芒轉(zhuǎn)折,、匯集，形成了另一個(gè)一模一樣的類星體影像,。這個(gè)類星體和它的像在宇宙中看起來像一對雙胞胎緊緊靠在一起,，形成虛實(shí)莫辨的奇觀。
但是與所謂的“愛因斯坦光環(huán)”比較起來,，這種只形成單個(gè)星像的景觀實(shí)在太平常了,。如果觀察者恰好站在遠(yuǎn)方發(fā)光星體、星系引力透鏡所成的一條直線上,，將能夠從上到下,、從左到右地看見星像連續(xù)出現(xiàn)在天空中，形成一圈由星星組成的光明耀眼的環(huán),，就像晚會(huì)表演時(shí)觀眾手里拿的熒光圈一樣,。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀看到的牛眼星云，其實(shí)就是一個(gè)典型的愛因斯坦光環(huán)。并且當(dāng)引力透鏡對遠(yuǎn)方星體聚焦后,，產(chǎn)生的新的星體像會(huì)比星體本身明亮數(shù)百數(shù)千倍,。如果你有足夠的能力將黑洞、中子星或者大質(zhì)量的星系移 動(dòng),，你就隨意控制了一個(gè)碩大無比威力無窮的放大鏡了,，你可以用它來匯集太陽光芒，就像你用放大鏡聚焦陽光點(diǎn)燃一張紙一樣,，你可以制造一個(gè)比太陽灼熱幾千倍的亮點(diǎn),，當(dāng)?shù)厍蚺龅搅咙c(diǎn)時(shí)，就像水滴落在燒紅的鐵板上一樣,，“滋啦”一聲地球煙消云散了,！
因?yàn)橐ν哥R的出現(xiàn)，天空更加熱鬧,，各種星體的面貌更加離奇,，有的星光被放大，有的星體仿佛被克隆,，整個(gè)宇宙都呈現(xiàn)出虛幻的放大,，在這樣的空間里，你能夠不被迷惑嗎,？我們又該怎樣理解“有限無界”宇宙的真正來由,？牛頓所設(shè)想的平直空間是無法解決這些疑問的，平面透鏡一樣的空間不會(huì)形成哈哈鏡中的奇跡,，也無法幫助人們識(shí)別誰是星體中的“真假美猴王”,。只有愛因斯坦設(shè)想的彎曲、崎嶇的空間——雖然我們無法用肉眼感知它——才能告訴我們真實(shí)的一切,。
陷阱里,，鬼魅般閃耀的光芒——彎曲空間中光的紅移與藍(lán)移
經(jīng)過彎曲空間的光線產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，看起來好像被一種力量暫時(shí)劫持了一樣,。那么當(dāng)光線垂直落入彎曲空間中時(shí),，會(huì)發(fā)生什么情況呢？
光的顏色豐富多彩,。但每一束光的顏色一般是不會(huì)改變的,，所以，人們才能利用不同顏色的光做成信號(hào),，如以紅綠燈來指揮交通,，以穿透力強(qiáng)的紅色氖燈在迷霧中引導(dǎo)飛機(jī)和船只航行等等。但是,，假設(shè)我們?nèi)祟惪梢韵裨诘厍蛏弦粯由钤谥凶有巧踔梁诙瓷厦?，希望依靠光的顏色來傳遞信息的夢想將永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn),，因?yàn)樵趶?qiáng)引力場中，按照與空間彎曲的不同走向,，光的顏色會(huì)發(fā)生不同程度的改變,，產(chǎn)生所謂的“光的紅移或者藍(lán)移”現(xiàn)象。人們發(fā)現(xiàn)光有這樣的特性,，它的速度是絕對不變的,，但它的頻率或者波長能夠改變，影響光子能量的惟一因素就是頻率,，也就是它的顏色,。顏色越暗紅，頻率越小,，能量就越低,，反之，顏色越藍(lán)紫,，頻率越高,，能量也就越高。當(dāng)光子失去能量時(shí),，頻率降低,、波長變長，顏色變紅,，物理上把這種現(xiàn)象叫做“紅移”,；相反，如果獲得了能量,，光的特征就會(huì)反著改變,，而顏色也變得更幽藍(lán)，這叫“藍(lán)移”,。
還讓你回到我們未來設(shè)在中子星上的城市,，你馬上就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己到了一個(gè)到處是鬼魅光芒的世界：海邊巨大燈塔發(fā)出的本來橘黃色的光芒，你越遠(yuǎn)離它,，它就越變越橙紅,、褐紅、暗紅直到不再發(fā)出光芒,；而正朝在燈塔上守望的你駛來的船只上橘黃色的信號(hào)燈光，你將發(fā)現(xiàn)越來越綠,、越藍(lán),、越紫直到變成刺眼的電弧一樣的閃光，最后你也會(huì)看不見燈光了,，不過不是它太暗了,，而是變成了X射線甚至伽馬射線,，超出了你的視覺范圍。地球上如此穩(wěn)定的光的顏色,，為什么在中子星上就變成了最捉摸不定的鬼魅呢,？
愛因斯坦的廣義相對論告訴我們：引力場對于質(zhì)量是一種陷阱，空間在那里彎曲,，有質(zhì)量的物體會(huì)自然地沿著傾斜的陷阱壁下落,。對于光線也是這樣的。中子星上的燈塔使它的周圍空間凹陷成傾斜的井,，光在這樣的陷阱中,，當(dāng)沿著井壁下滑時(shí)，它就獲得了能量,，就像人順著斜坡下滑一樣,，人體會(huì)獲得更大的能量；相反,，要從井底爬上來,，你要消耗很多能量。越靠近巨大質(zhì)量的地方,，空間彎曲越厲害,，越陡峭，光線在這個(gè)井中運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得能量與消耗能量越厲害,。所以你就自然地看到了光的顏色在中子星上劇烈地變化,。
其實(shí)，中子星只是地球上情景的夸大,。我的地球上一樣存在這樣的現(xiàn)象,，只是微小得任何人都無法去感覺，因?yàn)榈厍蛸|(zhì)量所引起的空間彎曲非常微不足道,。但是,，我們的儀器能夠感覺到。
所有的光都屬于電磁波,，引力場中光子的行為改變可以用各種電磁波來實(shí)驗(yàn),。20世紀(jì)60年代，哈佛大學(xué)的研究者們將一個(gè)發(fā)射伽馬射線的放射性鐵塊放置在20米高的塔尖上,，當(dāng)他們在地上測試接受到的射線時(shí)發(fā)現(xiàn),，伽馬射線的頻率的確變強(qiáng)了，產(chǎn)生了藍(lán)移現(xiàn)象,；反過來,，在塔頂測試塔底下傳過來的射線發(fā)現(xiàn)，其能量損失了,，頻率降低,，產(chǎn)生了紅移,。所以你在自己家中看見的節(jié)日的燈火顏色，和你在太空飛船或者月球上俯視它們時(shí)看見的顏色一定不一樣(如果你能看見的話),，光在地球的空間陷阱中“爬”到月球上你的眼中時(shí)紅移了,。
行星，在看不見的井中飛馳——彎曲空間中的水星進(jìn)動(dòng)
即使如光子這樣急速而又極輕的物質(zhì)也會(huì)馴服地被空間擺布,，更不用說那些行星恒星等天體了,。用萬有引力來解釋天體運(yùn)動(dòng)，總是很虛幻而抽象,，但當(dāng)你想到它們不過是在傾斜的空間舞臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，不但能夠形象地感知，而且會(huì)覺得更合理,。
被搖動(dòng)的骰子可以在碗沿上轉(zhuǎn)動(dòng)而不落到碗底,；駕駛摩托車前進(jìn)的井底飛車演員可以在傾斜的井壁上轉(zhuǎn)圈而不摔落下來。一旦它們都停止前進(jìn),，只有一個(gè)結(jié)果：落到最低處,。我們的地球以每小時(shí)10萬多公里的速度繞太陽公轉(zhuǎn)，如果它停下來,，不但馬上失去四季更替的自然景觀,，而且將攜帶著所有生命落入太陽的熔爐中化為烏有。對于地球是這樣,，對于太陽系的其它行星也是這樣,，這就是行星公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的必要性。為什么行星停止公轉(zhuǎn)就必然落入太陽的熔爐中呢,？因?yàn)樘柪米陨碇亓吭谒闹車臻g制造了一個(gè)凹陷的陷阱,，地球和其它行星像一個(gè)個(gè)彈珠一樣在這個(gè)陷阱的邊緣向前快速滾動(dòng)而不至于落入井底的太陽中。
當(dāng)然,，有人一定馬上跳出來反對這樣的說法,，他們列出的理由是：應(yīng)該是牛頓的萬有引力像一根無形的繩子一樣牽住了地球在繞行，就像你用繩子拉住一個(gè)鐵球轉(zhuǎn)圈一樣簡單,。但是在解釋水星的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象中,，牛頓的引力定律遭受了徹底的失敗。
1846年,，法國巴黎天文臺(tái)的青年天文學(xué)家肋維烈根據(jù)天王星的運(yùn)動(dòng),，采用萬有引力公式進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確預(yù)測了海王星的位置，這使他更堅(jiān)信太陽系內(nèi)還有新的行星沒有被發(fā)現(xiàn),，并把目光轉(zhuǎn)向了水星軌道以內(nèi),。他很快發(fā)現(xiàn)，水星繞太陽的軌道并不是固定不變的,，而是每轉(zhuǎn)一周,，其橢圓軌道的長軸便會(huì)像時(shí)鐘上的時(shí)針一樣前進(jìn)一點(diǎn)，形成所謂的“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象(如圖示),。水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)幅度很小,，在天空中每年約挪動(dòng)0.12度的位置，相當(dāng)于時(shí)針在鐘面上走了面前書中逗號(hào)大小的1/6,，這樣大約每3002年水星的長軌道軸將會(huì)像走動(dòng)的時(shí)針一樣轉(zhuǎn)過整整一圈,。按照發(fā)現(xiàn)海王星的經(jīng)驗(yàn)，這就意味著水星軌道內(nèi)還有一顆未知的行星,。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使肋維烈十分興奮,，他甚至為它取好了名字叫“祝融星”?？墒侵钡嚼呔S烈去世后的100年中,，所有根據(jù)牛頓理論尋找“水內(nèi)行星”的努力都只是竹籃打水。“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象成了牛頓引力理論無法破解的謎,。
直到1915年,，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，并用這個(gè)理論計(jì)算出水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)幅度與當(dāng)時(shí)的觀測值只有千分之二的誤差,，達(dá)到驚人的一致,。愛因斯坦是這樣用相對論來描述水星進(jìn)動(dòng)的：水星最靠近太陽，這里的引力場比其他行星所處的引力場強(qiáng)多了,，時(shí)空也就彎曲得更厲害,，形成一個(gè)陡峭的深井。特別是在近日點(diǎn),，水星不得不在那里下陷得更靠近太陽,，就像飛車在更陡直的井壁下滑了一段距離一樣，這段距離改變了它的軌道,。其實(shí)后來測量到地球,、金星等行星都在近日點(diǎn)有進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。這使我們相信,，行星的運(yùn)動(dòng)不是平面運(yùn)動(dòng),，它們在空間里轉(zhuǎn)圈的同時(shí)，還順著傾斜的彎曲空間下滑,。
對空間彎曲的嶄新認(rèn)識(shí),，使人們拋棄了尋找“祝融星”的陳舊觀點(diǎn)，也使人們認(rèn)識(shí)到牛頓建立在平直空間認(rèn)識(shí)上的萬有引力理論不過是對宇宙小范圍觀測上的近似處理,。
時(shí)空為什么這樣崎嶇,？
空間為什么會(huì)彎曲，在彎曲的空間中物體究竟怎樣行走才能最省力省時(shí),？
空間彎曲在常態(tài)下是不容易感知的,，而像黑洞和中子星這樣的極端環(huán)境人們又無從達(dá)到,。所以在人類連續(xù)幾千年的智慧中，都沒有實(shí)現(xiàn)過對空間彎曲的感知,。包括牛頓,，他把平直的引力觀念推廣到了整個(gè)太陽系，并認(rèn)為可以推廣到整個(gè)宇宙,。是愛因斯坦從那種錯(cuò)誤中將真理拯救了出來,。愛因斯坦認(rèn)為，空間是四面八方立體交錯(cuò)的有紋理織物,，是一張厚厚的看不見的網(wǎng),，在這樣的網(wǎng)中，任何物體也不可能真正實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng),，而且我們眼中看見的物體因?yàn)槲a(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力其實(shí)甚至不是一種力,，而是處在時(shí)空傾斜情況下的必然行為。
牛頓曾經(jīng)無法弄清引力是怎么回事,，他只好把引力的來源歸之于“上帝”,。只有愛因斯坦的相對論，才使人們明白,，空間曲率才是引力現(xiàn)象真正的原因,。在這個(gè)曲面中，我們中學(xué)一直學(xué)習(xí)的平面幾何理論都只是對空間彎曲極小情況下的近似描述,。所以一到彎曲厲害的空間中,，它就完全失靈甚至成為徹底的謬論。
有了物質(zhì)才有空間,，但空間又與物體截然不同,。空間為物體存在提供了一個(gè)支撐的舞臺(tái),，這個(gè)舞臺(tái)的形狀只會(huì)被質(zhì)量改變,，密度越大質(zhì)量越大的物體，在空間舞臺(tái)上會(huì)凹陷得越深,，這就跟在一塊橡皮毯子上放一個(gè)哈密瓜和一個(gè)同樣大小的鉛球一樣,，后者會(huì)把毯子壓出一個(gè)深深的坑。不過,，我們的空間才不是像橡皮一樣柔軟呢,，雖然你能非常自由地在地面上穿行。讓空間發(fā)生形變的難度有多大,？我們讓一塊鋼板發(fā)生彎曲,、凹陷這樣的形變已經(jīng)很困難了，但讓空間發(fā)生同樣形變的難度是鋼板的1032倍。這個(gè)數(shù)字在牛頓看來是無窮硬,，是不可彎曲的,，但愛因斯坦告訴我們，不管使空間有多難,，它總有一個(gè)度,。所以在空間的毯子上面放上一個(gè)太陽，它產(chǎn)生的凹痕也只有幾個(gè)原子大?。〉诙淳筒煌?，它能將附近的空間拉過來包住自己,，所以你看不見黑洞，只能發(fā)現(xiàn)它周圍的空間捂得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí),。
總之沒有質(zhì)量的地方空間確實(shí)是非常平直的,，是質(zhì)量改變了這一切，而質(zhì)量無處不在,，所以空間無處不崎嶇,。
