《爱因斯坦的望远镜——探索暗物质和暗能量》一书,作者为芝加哥大学卡弗里宇宙物理学研究所助理所长艾弗琳·盖茨,由张威和上官敏慧译成中文,即将出版。
“爱因斯坦望远镜”听上去很陌生,其实是专业名词“引力透镜”的一种大众化的说法。我们知道,光学透镜——望远镜的主要组成部分,是通过镜片的折射率来聚焦成像的,那么,引力透镜的原理是什么·在爱因斯坦的引力理论中,光线走最短程线,这种最短程线对于一个距离目标和引力场很远的观测者来说,看上去并不是一条直线。最初验证广义相对论的实验就是在日食时观测恒星光线掠过太阳后弯曲的角度,虽然由于引力场本身很弱这个弯曲的角度非常小。我们知道,通常的镜片是利用折射以及镜片的曲率来弯曲光线的,而引力透镜则是通过引力场的分布来弯曲光线的。既然引力场存在透镜现象,天文学家利用透镜现象研究引力场以及导致引力场的质量分布就很自然了。
光学透镜和引力透镜在过去被认为是很不相同的现象。非常有趣的是,最近对电磁隐形斗篷的研究发现通常的光学(电磁学)介质可以用引力场类比来研究, 反过来,通过设计光学介质,人们开始模拟太空中的引力场、引力透镜效应甚至黑洞。当然,实验室中的人工光学介质涉及的空间尺度和时间尺度比太空中的引力透镜涉及的尺度要小得多,这也为研究提供了便利。
《爱因斯坦的望远镜》是一本科普著作,以引力透镜现象的研究为主线,介绍了当今天文学和宇宙学最为引人注目的两个研究领域,即暗物质和暗能量,同时介绍了引力理论和现象、宇宙学和粒子物理学的一些基本知识。我没有读过英文原文,机缘凑巧,两位中文译者请我校阅他们的翻译,我乘机通过本书学习了过去我不太熟悉的一些知识,例如微引力透镜效应、X射线天文学。当然,本书的重点是通过不同侧面的研究展示目前暗物质和暗能量的研究成果,而将重心放在暗物质的研究上面。
全书由12章和尾声以及附注组成。第1章介绍了宇宙的组成和宇宙的历史;第2章和第3章介绍爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论以及宇宙的膨胀;第4章介绍引力透镜即爱因斯坦望远镜,包括一些奇特的引力透镜现象:一个球状物通过引力透镜成像为一个环状物,物体的拉伸和变形,甚至一个目标会形成多重影像, 形成引力透镜的质量越大、分布越大,则引力透镜的效应越明显;第5章介绍了在暗物质研究历史中最为流行的两类暗物质候选者,勇士和懦夫。这里勇士即 MACHO,是英文“大质量致密晕物体”的缩写,这些大质量致密物体可能是黑洞,可能是昏暗的星体,而微引力透镜效应的研究的确证实了这些物体的存在,但占宇宙物质的比重不足以解释所有的暗物质。懦夫即WIMP,是英文“弱相互作用重粒子”的缩写,这些粒子非常可能是暗物质的主要组成部分。
第6章到第9章介绍暗物质研究的各个侧面,第10章和第11章介绍宇宙的加速膨胀和暗能量;最后,第12章介绍宇宙的最早期,如暴涨宇宙时期、那个时期产生的时空不均匀性和引力波。我觉得最后的附注很好,为愿意进一步从专业的角度学习和研究宇宙学的读者提供了一些重要和经典的参考文献,并提供了少量的正文中没有给出的关键公式。这也许是最值得科普著作写作者学习的模式。
由于暗物质并不是我研究的领域,我在阅读这本书的校样过程中学到很多知识,我因此推测作者自己的研究领域是引力透镜和暗物质。这本书的主体的讲述方式非常通俗易懂,为了通俗易懂的目的作者花了很多心思,但个别的地方一些形象的比方未必是完全正确的。有些地方对宇宙学的一些结果过分肯定,例如十分肯定暗能量占宇宙能量密度的73%,物质(包括暗物质和普通物质)占能量密度的27%。这些数字主要来自著名的维尔金逊微波背景辐射各向异性探测器的研究结果,该实验以精确性著称,所以其他实验都不自觉地在数字上靠拢这个实验。最近,已经出现了不同的声音,开始质疑这个实验小组的数据分析方式和结果。也许, 在不远的将来,暗能量和暗物质所占的比重可能被修改。
我向对宇宙学和天文学感到好奇的读者大力推荐这本书,虽然这本书的中文译本的出版还要等一段时间。
中科院理论物理研究所 李 淼
(本文首发于《新发现》,2009(9))
