物理新知–甚麼是「重力透鏡」?
文﹕張啟聰

彎曲的空間
圖一   直線路徑在曲面上變彎了。
 
重力透鏡如何運作?
圖二   來自遙遠類星體的光被一巨大質量 (星系) 所扭曲,造成多重影像。
 
真實的重力透鏡
圖三   遙遠光源的雙重影像 (白點)。
這個問題,要從愛恩因坦的廣義相對論說起。日常生活之中,我們一向都認為,光線是走直線的,只有光線在反射、折射、或衍射時才會改變傳播方向。但是根據廣義相對論,在巨大的引力場附近就連時間和空間也會被扭曲,使光沿曲線運動!

甚麼叫「空間扭曲」呢?讓我們先來考慮一張橡皮,並且想像這張橡皮薄得幾乎完全沒有厚度,橡皮上有一個「平面人」[1],他是二維空間的生物,它生活在橡皮上,只知道有長度和闊度,卻不知道何謂高度,三維空間對他來說是無法想像的。我們是活在三維空間的立體人,這時如果我們把一個重物放在橡皮之上,把橡皮弄彎了,「平面人」可能不會感受到有任何異樣,但當他在重物旁邊射出一束光線的時候,他便會發現,光線的路徑彎曲了 (圖一)!愛因斯坦的解釋是﹕巨大的質量產生引力,使時空扭曲,光線在彎曲了的時空運動,改變了方向!

「平面人」無法想像三維空間,我們也無法想像四維空間。就好像「平面人」感受不到橡皮彎曲一樣,我們也感受不到三維空間的彎曲。引力使時空扭曲不是天方夜譚,而是有科學觀測支持的。天文學家利用了日全蝕時太陽光轉暗的機會,去觀測十分接近太陽的背景星空,發現了星星的位置有細微的改變,就連數值都與廣義相對論的預測十分吻合。同樣道理,當光線從數十億光年遠的外太空走到地球時,假如途中經過巨大的質量 (例如一個星系或星系團),光線也會被彎曲。這時候,我們便看到物體產生多重的影像,就好像一塊凸透鏡把光線聚焦 (圖二)。圖三是哈勃太空望遠鏡所攝得的影像,可以看見遙遠光源的影像被分成兩部份 (白色的點)。

[1] 這裡所說的「平面人」只是一個比喻而已,相對論所論述的時空幾何涉還及時間的彎曲,需要應用較高深的數學才可精確地描述。