互动科普

图：引力透镜效应

本来应该看不见的方格竟然呈现在摄像机前方

根据相对论，时间和空间都不是绝对的，会发生伸长或收缩。从日常经验来看，这简直是天方夜谭。

我们能看见物体，是因为有光进入了我们的眼睛。换句话说，光使我们看见物体。

光的速度是有限的，约为30万千米/秒。不论什么时候，不论何人，不论在什么情况下测量，光速都是这个值，不会改变。比如，在以29万千米/秒作高速运动的宇宙飞船上测量，光仍然是以30万千米/秒的速度行进。这就是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年建立的狭义相对论所依赖的两大支柱之一的“光速不变原理”。

光速有限，这就导致物体在作高速运动时必然会出现一系列特殊现象。“光行差”和“多普勒效应”就是这些特殊现象中的两个。

光行差是指做高速运动的观测者进行观测时（或者观测做高速运动的物体时），会观测到光不是从原来的地点发出，而是在运动方向上挪移到比原来所在地点有所超前的位置发出的一种现象。

多普勒效应则是我们在日常生活中涉及声音时十分熟悉的一种现象。比如，救护车鸣笛从身旁经过时，驶近和驶离时笛声会发生高低变化，这就是声音的多普勒效应。

对于光，多普勒效应引起的是光的颜色发生变化。也就是说，高速接近的物体所发出的光，波长变短，颜色变蓝（蓝移)；高速远去的物体发出的光，波长变长，颜色变红（红移）。

不仅有颜色变化，还有长度收缩和旋转

根据相对论，两个以非常高的速度交错移动的物体，无论从哪一个物体上看，都会看到对方在行进方向上的长度缩短了。速度越大，收缩的越厉害。这种现象叫做“洛伦兹-斐兹杰勒收缩”(或“洛伦兹收缩”)。

由于存在多普勒效应，按理说，正在向摄像机靠近的物体看起来应该偏蓝色，正在背离摄像机远去的物体看起来应该偏红色。然而在模拟的图像上，汽车是在即将来到摄像机正面之前就开始变红。这是因为汽车以亚光速运动，在单纯的靠近和离去的多普勒效应上还要加上汽车的时间变慢效应。

光的颜色变红意味着光的波长被拉长。这是因为从摄像机观测，汽车的时间流动变慢了。比如说，从汽车发出的光假定是每1秒钟振动1次，在摄像机看来却是每3秒钟振动1次。换句话说，摄像机看到的是波长被拉长了的光。

强大的引力使星系的像发生严重畸变

在宇宙空间航行的探测器可以通过“借力变轨”改变自己的速度和行进方向。所谓借力变轨，是指探测器利用地球或木星的引力以最少的燃料来改变运行轨道的一种方法。

从正在利用地球引力进行变轨的探测器上看，这里假定探测器所携带的摄像机镜头始终对准地球，当它向地球靠近时，镜头接近于指向前方；当探测器退离地球时，镜头转过来接近指向后方。

如果把地球改换成黑洞，将是怎样的景象呢？

具有强大引力的黑洞会引起周围空间的弯曲。由于空间弯曲，通过这部分空间的光也发生了弯曲。这种现象叫做“引力透镜效应”。

探测器利用黑洞的引力进行借力变轨时，首先看见的是由于引力透镜效应而产生严重畸变的星系像。星系的像发生分裂，在黑洞的左侧会看见它的另一个像。

向黑洞靠近时，起初，由于光行差和多普勒效应的影响，星系变小，颜色呈蓝色。在退离黑洞时，由于光行差和多普勒效应，星系变大，颜色变成红色。

居然看见了背后的黑洞!

探测器在高速向黑洞自由下落（受黑洞引力吸引坠落）和抵抗引力反向喷射缓慢下落两种情况时看见的景色大不相同。

空间位置关系是：星系最远，其次是火箭，接着是探测器，黑洞最近。也就是说，探测器在拍摄上方的星系和火箭时，它正在向背后的黑洞坠落。黑洞在探测器背后，也就是在页面外的读者跟前。

当探测器向黑洞自由下落时，由于多普勒效应，星系和火箭的颜色都变红了。同时，由于光行差的影响，星系看起来也变大了。

当推进器反向喷射缓慢下落时，来自星系和火箭的光进入探测器之前受到黑洞强大引力的影响而变蓝（引力蓝移）。这是在引力特别强大而观测者缓慢移动的场所出现的使到来的光的波长变短的特殊效应。继续靠近黑洞，由于光线弯曲，看到的星系和火箭会变小。

同样是向黑洞下落，仅仅下落的速度不同，看到的景象就有如此大的区别。

当探测器做反向喷射缓慢下落时，随着向黑洞靠近，会有越来越大的天区里的星体逐渐进入探测器的视野。这是黑洞的引力导致光线弯曲，使得本来位于探测器侧面和背后的星体所发出的光绕行，进入到摄像机镜头的结果。在非常靠近黑洞时，甚至连本来位于背后的黑洞也进入了视野。

相对论预言的这些效应，即使懂得了原理也未必能够想象出实际看到的会是什么景象，许多景象都只能借助计算机进行模拟得到直观的图像才会明白。观看这些图像会加深我们对于这种不可思议的理论的理解。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）