引力透镜的出处与演化,物理教学论文.docx

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1、引力透镜的出处与演化,物理教学论文引力场源对位于其后天体发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应被称之为引力透镜效应。简单来讲，假如在观测者到光源的视线上有一个大质量的天体，则在光源的两侧会构成两个像，就好似有一透镜放在观测者和天体之间一样。 引力透镜效应是爱因斯坦Albert Einstein,1879-1955广义相对论所预言的一种现象，由于时空在大质量天体附近会发生畸变，进而使光线在大质量天体附近发生弯曲光线沿弯曲空间的短程线传播。 对引力透镜效应的观测，能够为证明广义相对论能否是引力的正确描绘叙述提供根据。从 20 世纪 30 年代开场，关于引力透镜效应的理论计算已经有了较大的发展，并

2、且在 1979 年初次发现了相应的观测现象。 但历史上对于引力透镜概念起源的研究，所采用的证据大多都是证据缺乏。 由于爱因斯坦提出了广义相对论，人们自然而然会以为引力透镜的概念出自爱因斯坦。 事实上，引力透镜概念的发展历史与光线引力偏转的观测证据是密切相关的，并非人们想当然的那样。本文从牛顿 Isaac Newton,1643-1727 (光学中的疑问 1 谈起，接着扼要地回首了马拉Jean-Paul Marat,1743-1793 、卡文迪什 Henry Caven-dish,1731-1810、索德奈尔Johann Georg Soldner,1776-1833和爱因斯坦等人在华而不实的奉

3、献。 发现1912 年爱因斯坦在笔记本中就记载了引力透镜效应的有关计算但并未发表，他推导出了引力透镜效应的方程并确定了引力透镜的图像。 我们在关于相对论的综述性文章，鲜明的表述了光线经过引力场时一定会发生弯曲的观点。1911 年爱因斯坦任职于德国布拉格大学期间，发表了更为具体的预测6. 他通过简单地使用等效性原理得到了一阶卡文迪什 - 索德奈尔Cavendish-Soldner解，更重要的是：他预言以当时的天文学技术观测日全食，应该能够观测到光线经过太阳时所发生的 0 。 83 偏移7. 当时很少有人关注于此，只要在柏林的一个年轻天文学家-弗伦德里希ErwinFinlay-Freundlich

4、,1885-1964 专注于此问题的实验性验证。 1914 年 8 月，弗伦德里希带领科考小组前往克里米亚半岛进行日食观测，以希望能初次发现引力透镜效应。 不幸的是，时逢 1924 年发表在(天文学通报上的论文并不被世人所熟知，但文中扼要地提出了虚假双星产生的可能原因应归于引力透镜效应。 固然他并没有进行具体的计算，可他指出假如透镜、光源和观察者在同一条直线上，将产生一个完美的光环，并对其进行了阐述8. 可惜的是，他没有讲明这种现象能否能被观察到。 不过爱因斯坦发表在同一期同一页的论文9对此问题只字未提。 是不是伟人真的忘记了？ 还是由于其他什么原因？ 可能爱因斯坦对此问题的态度比拟消极，他不

5、太确信能够观测到相应现象。1936 年 4 月 17 日捷克电气工程师鲁迪 曼德尔Rudi Mandl拜访了爱因斯坦，催促爱因斯坦对于透镜效应进行新的计算。 曼德尔以为由此能够去解释：环状星云的构成、宇宙射线源、由于恒星日食引发的生物灭绝等。 但爱因斯坦坚持以为： 我已经得出了此种现象的结论，那就是不可能观察到什么，所以我不再支持发表关于此事的任何内容。 尽管如此，曼德尔在接下来的几个月继续催促爱因斯坦。 最终，爱因斯坦极不情愿地于同年 12 月份在(科学发表了一篇题为(引力场中由光线偏移引起的恒星类透镜行为Lens-like Action of a Starby the Deviation

6、of Light in the Gravitational Field的短文10. 然而，他把透镜效应看做是一个没有实际用处的 最奇怪的效应 ,并以为 显然没有希望直接观察到这一现象 . 他还给(科学杂志的编辑发了一份注释，讲： 感谢您为这篇论文发表所做的工作。 它是在曼德尔先生的催促下完成的。 它没有什么价值，但曼德尔先生将很乐于看到它的发表。 我们并不清楚曼德尔能否知道林克的文章，但爱因斯坦对透镜效应始终保持着非常悲观的态度。1. 6 来自真正的先驱-弗朗提斯克 林克！爱丁顿利用折射和引力偏转进行类比的方式方法，解释了爱因斯坦分别在 1911 年和 1916 年的预言。他 1923 年的着

7、作(相对论的数学原理在学术界成为了畅销书，被爱因斯坦以为是 在所有语言中是表示出这个主题最好的版本 . 此书影响到了一位年轻的天文喜好者-弗朗提斯克 林克11,其日后逐步成长为一位精于研究日月食的天文学家。 林克很早就意识到引力偏转所产生的图像，基本上与月食光阴线通过地球大气层的折射相类似。 他由此不仅计算了图像的位置而且同时计算了亮度，并以为可视和不可视星都可能成为引力源，在某些情况下可视星体和暗星都有可能产生一定的放大率。 作为一位天文观测者，他对于观测效果的可能性持乐观态度。 他以为尤其是在观测漩涡星云时，用此方式方法得到观测结果的可能性更大。 他曾指出： 在天空某些区域，如此严密的排列

8、显然是罕见的，十分是漩涡星云。 12在巴黎定居时，他在法国的期刊上发表了他的计算，并将首份报告递交到法国科学院。 这不仅仅是业内的同行审查，也确保了其内容的快速传播。 他的论文被发表在(法国科学院周刊上12,但并未引起相应的注意。 随着论文的发表，在 1936 年 3 月 16 日的科学会议上该论文被宣读。 因而，它早于爱因斯坦1936 年 12 月发表一样内容的论文 9 个月之久10.在 1936 年的夏天，林克计算了更多的相关内容，如有限尺寸效应，恒星大气的临边昏暗，并于 1937 年用法语再一次发表13. 这篇长达 18 页的论文对很多内容进行了综述。林克以为广义相对论的实验确认是特别困

9、难的，尽管日食的结果证实了预测效果。 然而，随着更为精到准确测量的出现，他建议考虑光度效应的影响。 他指出了奇沃尔松论文所显示的几何意义，但没有能提供光度效应的任何理论背景。 他坚持以为光度效应在某些情况下是能够测量的。 他从爱丁顿的书德文版中得到了全部的基本方程和部分偏转角，提出偏转取决于质量与半径的比 K = M/M R /R。 他用这种形式指出巨星的 K 约为 0. 06,而对于在当时已经知道的最小星体则 K 为 600.1933 年他成功地将他的光度理论应用于月食。指出此种形式与潜在的物理因素所引起的偏转无关，对于日食的影响是微缺乏道的，但在某些情况下它又是重要的。 这种形式适用于一般

10、的光源和有限角距的透镜。 他分析此问题还依靠影响参数，指出对于小影响参数的比可能会成为负数。 这是由于必须采用变化区域的比率和绝对值。 他还指出当影响参数到达最低时，光变曲线是均匀对称的，放大率要小于远距离尺度上的放大率。他以为现实中，在有限尺度的光源下，镜头可能会遮掩光源的一小部分。 但看到的结果应是没有临边昏暗的完好圆形即没有临边昏暗和有限线性临边昏暗，并指出了昏暗产生的较小因素。 他提到了结合变化强度的不变外表亮度，意味着图像会被扭曲。 他介绍了有史以来第一个透镜图像和两张产生引力透镜效应的图片位置。 在他文章第五部分中介绍了其计算的预期结果，只不过是以月食研究内容的一个应用出现的。一般

11、情况下在透镜中由于影响参数的原因，图像的位置会被分解。 他指出星系和漩涡星云的构成经过中，将会构成一个以掩星为中心即零影响参数的同心环，其半径非常类似于临界半径。 他用一个简单的标准来检查镜头的尺寸对遮蔽效应能否有影响。 并指出真正的影响应取决于两星的相对亮度，光度效应产生的地方会有光谱的变化。 他还揣测，除了用干预测量的方式方法外，是不会观测到奇形怪状的变形图像的。 并举出 3 个例子进行了相应阐述和分析。从对此论文的分析中，我们能够看出他对于系统性地搜索整个天空，以便于去找寻对应现象是饶有兴趣的。 他对于这种现象的乐观情绪与爱因斯坦对此现象的悲观情绪构成了鲜明的比照。 无论是从时间先后还是

12、从内容上，我们都不难发现，林克才是初次将正确计算和积极预言引力透镜效应的内容公开发表的科学家。 所以，由此能够以为林克才是这一领域的先驱。2 引力透镜的 演化在 20 世纪四五十年代，尽管有一系列引力透镜方面的论文，但几乎没有任何突破性的进展。 也许是由于广义相对论在那个时代仍然相当不受重视，钱德拉塞卡尔Subrahmanyan Chandrasekhar,1910-1995的话能够帮助我们了解当时的情况：我从 1936 年到 1961 年在芝加哥大学任教时，学校并没有开设广义相对论的课程，哪怕是一个学期也没有。 芝加哥大学就是一个典型的例子14.然而，20 世纪 50 年代末出现了关于此问题

13、的一系列论文。 C. G. 达尔文Charles Galton Darwin,1887-1962,查尔斯 达尔文的孙子具体计算了引力透镜效应图像位置和放大率，并用角度取代了立体角进而得到了正确结果的平方根。 克里莫夫将银河系作为透镜进行了更进一步的计算，这些标志着严谨而具体研究的开场。 Liebes 在所有尺度检验引力透镜：银河系的恒星和其光度、球状星团、难以发觉的暗星、非恒星空间扭曲、仙女座星云的恒星、引力波等；Refsdal 以为从地球上能够频繁地观测到此现象的发生，问题是要找到发生的时间和位置；Zeldovich 第一次在宇宙学尺度上研究了透镜效应。这一系列的工作引发了天文学家对于透镜效

14、应更为广泛而具体的研究。 1979 年初次观测到透镜效应后，进程得到了进一步的加速。 十分值得提出的是，1981 年玛丽亚 彼得鲁Maria Petrou,1953-2020的博士论文。 她的工作是在不同的环境下，研究利用大麦哲伦星云的恒星做为透镜，捕捉银河系黑暗光环的概率。 她的导师以为其内容有过多的不可预测性而反对其发表，所以只要论文的第七章出现了光环的透镜效应球状星团的动力学模型。 她以为： 星体放大的预期值大约是 20, 可变星体有别于其他的变化，是它的颜色不变。 这些都是确切的数据和内容，在 10 年后，弱引力透镜实验性地使用此法观测到了一个在银晕内暗的致密天体集群。3 结束语引力透

15、镜真正的气力在于允许我们追踪宇宙中的物质，并探测时空本身的构造。 但在实际中，由某种物质引起的扭曲效应能否明显，显然依靠于时空变形的程度以及我们解析图像的能力。 而问题的关键，就在于怎样把我们所看到的图像，转化为有关透镜大小和形状的信息。 利用引力透镜，我们正在以原先无法想象的方式积极拓展着视野。 无论是寻找银河系中的暗物质，还是探求操纵宇宙命运的暗能量，我们对宇宙和微观世界的探寻求索在带给我们一个个新谜团的同时，也带来了一种帮助我们解开谜题的新技术。正如其他学科的发展经过一样，引力透镜的发展经过揭示了在已发表和未发表的计算之间，错误的和正确的之间，公开的有影响力的和不公开的被遗忘的论文之间的

16、互相影响。 而通过研究引力透镜概念的起源问题，使我们了解到牛顿并非是这一想法的先驱，相反地在他的(光学中所提到的疑问 1反而完全是与此现象无关的。 固然 1912 年爱因斯坦在其笔记本中记载了其计算透镜效应产生的偏差，推导出了透镜效应方程并确定了图像位置。 但可惜的是，不知什么原因爱因斯坦并未将其发表。 林克不仅在 1936 年早于爱因斯坦 9 个月公开发表了引力透镜的具体计算，而且在同年扩展了包括透镜尺寸和观测源的影响以及临边昏暗现象等相应理论。 林克准确预测到在星系比拟密集的地方会更容易观察到弱引力透镜效应，并于 50 年后得到了证实。 无论是思想的提出还是从声望和学术的影响，对引力透镜的计算和阐述，爱因斯坦都早于林克，爱因斯坦具备了提出引力透镜的优先权。 不过林克对透镜效应的积极态度是难能可贵的，与爱因斯坦对此现象的悲观态度构成了鲜明比照，这促成了其正式文章早于爱因斯坦发表。 从中我们获得启示，无论在任何领域，十分是在高端研究领域，都要及时对自个的学术成果和思想进行归纳和总结，并积极发表或公开，以展现科学研究和发现的价值15.综上所述，我们以为引力透镜效应真正的先驱应是林克。 但即便这样，爱因斯坦的作用也不能低估，假如没有广义相对论，谈何引力透镜效应的发现呢？