探索引力的奥秘：从牛顿到爱因斯坦，引力如何帮助人类发现银河系外行星

它出现在人类两个划时代的科学理论中。人们称之为万有引力。牛顿认为它几乎无处不在，但爱因斯坦认为它不存在。

所以……

自牛顿时代以来，引力就出现在各种科学研究场合。最近，它帮助人类“看到”银河系外的行星。美国俄克拉荷马大学的天文学家近日发表论文称，他们利用NASA钱德拉X射线卫星的数据和微透镜效应，在距离38亿光年的星系中发现了一群恒星行星，这是人类第一次发现发现了一颗银河系外的行星。

引力不是物质之间恒定的吸引力吗？

为什么它能帮助科学家“看到”行星？

它的本质是什么？

让苹果落到地上，让行星绕太阳转

当人们想到重力时，总会想到苹果掉到地上的故事。故事讲述了当牛顿坐在苹果树下苦苦思考行星运动问题时，一个苹果掉到了他的面前，这让他突然意识到，导致苹果落到地面的重力就是重力。导致月球绕地球运行的力；地球不仅吸引苹果，它还吸引地球表面的一切，包括遥远的星星。

如今，这个故事的真实性备受争议，无法核实。但可以肯定的是，提出引力的过程并不像灵感顿悟那么简单。

早在十七世纪初，开普勒就根据前辈第谷·布拉赫的观测数据总结了太阳系行星运动规律，提出了行星运动三大定律。这三个定律分别涉及太阳系行星的轨道形状、速度和周期，解释了行星运动的轨道规则。

开普勒的行星运动三定律真正使太阳成为太阳系行星轨道的中心，也让科学家开始思考行星为何绕太阳运行。他们的运动受什么支配？

牛顿在1760年代开始思考这个问题。他从开普勒第三定律推论出，行星绕太阳运行所需的力与其距太阳距离的平方成正比。这就是重力的原型。

但万有引力的系统提出却要等到1687年。在这20年间，牛顿深入研究了行星椭圆轨道与与距离平方成反比的力的关系，并对万有引力的普遍性进行了思考。

1687年，《自然哲学的科学原理》出版。在这部科学杰作中，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着相互的吸引力，这就是万有引力。该力的大小与两个物体质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。从万有引力定律可以推导出开普勒三定律。这说明行星的运动是在恒星间万有引力的控制下进行的。

万有引力的提出揭示了太阳、月亮和星星运动的内在奥秘。它已成为人类认识和认识世界的重要基石。牛顿本人使用万有引力定律来解释潮汐和行星进动等现象。牛顿的朋友哈雷用它来预测哈雷彗星的返回周期。法国天文学家勒维耶根据万有引力推断出海王星的存在。在航天工业中发挥重要作用的第一、第二、第三宇宙速度的计算也都有万有引力定律的存在。

值得一提的是，在牛顿万有引力公式中，有一个万有引力常数G。直到万有引力出现一百多年后，英国科学家卡文迪什才用设计精巧的扭天平测量到了它，进一步完善了万有引力定律。

它本质上并不存在，只是时间和空间的幻象。

空间和时间的曲率以及光的引力偏转

尽管牛顿的引力理论曾经被认为是极其准确和完美的理论，但它也有其局限性。例如，它无法解释重力的本质。还有一些自然现象是牛顿引力无法解释的。

天文观测很早就发现，水星轨道的近日点绕太阳运动的速度很慢，称为水星近日点进动。这种进动的速度可以根据万有引力定律计算出来，但与实际观测得到的精确值存在差异。差异为每百年 43 角秒。为了弥补这一差异，科学家们做出了各种尝试，比如假设水星附近有一颗“火神”会影响其轨道，或者修正重力的平方反比关系，或者采用电磁理论来解释。直到爱因斯坦出现之前，这些尝试都没有成功。

1905年，爱因斯坦基于光速恒定原理完成了狭义相对论的创立，预言当物体高速运动时，会出现牛顿经典物理学中没有的相对论效应。十年后，划时代的广义相对论问世，直指引力的来源和本质。

与牛顿理论不同，在广义相对论中，时间和空间不再是相对独立的实体。考虑物体运动时的场景不再是三维空间，而是时间和空间相互关联的四维空间——时间和空间。物体的运动反过来影响空间和时间。

这两个空间非常不同。牛顿的三维空间是欧几里得直线空间，牛顿经典物理的所有理论都是建立在这个基础上的。爱因斯坦的四维时空可能不是直的——它可能是球面所代表的正曲率空间，也可能是鞍面所代表的负曲率空间。只有当曲率为零时，它才简化为直线空间。空间。时空的曲率是由其中的物质决定的。

爱因斯坦写的广义相对论场方程说明了这种关系：物质的能量和动量会使时空弯曲。它的运动方程解释了物质在这样的时空中的运动规律。

在弯曲时空中，许多规则都发生了变化。例如，两点之间的最短线不再是直线，而是称为测地线的曲线。最直观的例子就是，从北京到美国洛杉矶的最短路线，并不是向东直接穿越太平洋，而是先向东北飞行，然后向东南拐弯进入美国大陆。原因是飞机沿着三维球体飞行。两地之间的最短路线是一条穿过两地和地心的大弧线。之字形路线是其在二维地图上的投影。

弯曲时空中物质的运动也与我们的直觉理解不同。从爱因斯坦的运动方程可以解出自由粒子在弯曲空间中不受外力作用的轨迹。它是四维时空中的一条螺旋曲线。如果把它投影到三维空间，恰好就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空间和时间中的惯性运动，根本不需要任何引力。

爱因斯坦创立广义相对论的动机之一就是引力无法纳入狭义相对论的理论框架。在他的新理论中，引力的命运是不存在的！

人们经常用床单来比喻这种情况。如果我们不考虑物质对时空的影响，那么我们的时空就像一张平板。在薄片的中心放置一个铅球，薄片就会凹陷，就像广义相对论中物质导致时空弯曲一样。如果将一个小球放在凹陷的床单上，它会向铅球滚动，似乎被铅球吸引。事实上，球的运动只是由于空间的几何效应。牛顿认为，几乎无处不在的引力本质上并不存在。

建造最先进的望远镜来寻找遥远的行星

利用微透镜寻找行星的示意图

有了广义相对论，水星近日点进动问题就很容易解决了。爱因斯坦对水星近日点进动速度的计算与观测结果完全一致。爱因斯坦在发表广义相对论时还预言，由于空间和时间的曲率，飞出太阳表面的光子的频率会发生红移，来自遥远恒星的光线在经过近处时会发生偏转。太阳。这些预言被随后的观测一一证实，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出光的偏转角度，但像水星近日点进动的问题一样，计算结果偏差太大。

引力透镜效应是光的引力偏转。诸如星系之类的大质量物体（透镜物体）会使它们附近的时空弯曲。当后面背景物体的光线穿过这个弯曲的时空时，光线会发生偏转，就像光线穿过透镜一样。根据背景天体、透镜天体和观察者之间不同的位置关系，最终会在观察者的眼睛中形成多重图像或环形图像。 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形图像——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。

引力透镜偏转光线的角度取决于透镜物体的质量。如果透镜物体质量不够大（例如一颗恒星），会发生什么？这就是帮助天文学家寻找行星的微透镜效应。

计算表明，恒星质量物体透镜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它们。人们看到的只是背景物体，由于微透镜效应而变得更亮。而且，微重力透镜形成的图像最多只能持续几年。与引力透镜图像动辄数百万年的存在时间相比，它们可谓转瞬即逝。

尽管观测很困难，但天文学家发现微透镜对于寻找地外行星很有用。当恒星质量的天体经过背景天体前方时，微透镜作用会使背景天体在短时间内显得更亮，这反映在光强度曲线上的凸峰上。但如果观测到的光变曲线中存在多个峰值，则意味着恒星附近存在其他小质量天体，例如行星。利用这一特征，我们可以确定地外行星的存在，并分析其质量和与恒星的距离等参数，即使该行星从未出现在望远镜中。

如果把微引力透镜比作望远镜，它的优势是非常明显的，比如可以让人们探索更遥远的行星世界。 2003年，两个研究小组利用这种方法首次发现了一颗距离地球16000光年的系外行星。在最新发现中，天文学家创新性地利用微引力透镜方法，将人类搜索行星的范围扩大到了银河系以外。

简单来说，在最新的研究中，天文学家结合了引力透镜和微引力透镜来寻找行星。星系的引力透镜效应导致后面的背景物体产生多重虚像，以及星系中恒星和行星产生的显微图像。引力透镜效应改变了这些虚像的亮度和光谱频率。观测和模拟结果表明，在距离地球38亿光年的-1231星系中心，存在着一群质量介于月球和木星之间的行星。这种由微引力透镜制成的“望远镜”比地球上和天空中最精确的观测仪器还要精确，让人类第一次发现了其他星系中行星存在的证据。

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