《愛因斯坦的望遠(yuǎn)鏡——探索暗物質(zhì)和暗能量》一書,作者為芝加哥大學(xué)卡弗里宇宙物理學(xué)研究所助理所長艾弗琳·蓋茨,由張威和上官敏慧譯成中文,即將出版。

“愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡”聽上去很陌生,其實(shí)是專業(yè)名詞“引力透鏡”的一種大眾化的說法。我們知道,光學(xué)透鏡——望遠(yuǎn)鏡的主要組成部分,是通過鏡片的折射率來聚焦成像的,那么,引力透鏡的原理是什么·在愛因斯坦的引力理論中,光線走最短程線,這種最短程線對(duì)于一個(gè)距離目標(biāo)和引力場很遠(yuǎn)的觀測者來說,看上去并不是一條直線。最初驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)就是在日食時(shí)觀測恒星光線掠過太陽后彎曲的角度,雖然由于引力場本身很弱這個(gè)彎曲的角度非常小。我們知道,通常的鏡片是利用折射以及鏡片的曲率來彎曲光線的,而引力透鏡則是通過引力場的分布來彎曲光線的。既然引力場存在透鏡現(xiàn)象,天文學(xué)家利用透鏡現(xiàn)象研究引力場以及導(dǎo)致引力場的質(zhì)量分布就很自然了。

光學(xué)透鏡和引力透鏡在過去被認(rèn)為是很不相同的現(xiàn)象。非常有趣的是,最近對(duì)電磁隱形斗篷的研究發(fā)現(xiàn)通常的光學(xué)(電磁學(xué))介質(zhì)可以用引力場類比來研究, 反過來,通過設(shè)計(jì)光學(xué)介質(zhì),人們開始模擬太空中的引力場、引力透鏡效應(yīng)甚至黑洞。當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)室中的人工光學(xué)介質(zhì)涉及的空間尺度和時(shí)間尺度比太空中的引力透鏡涉及的尺度要小得多,這也為研究提供了便利。

《愛因斯坦的望遠(yuǎn)鏡》是一本科普著作,以引力透鏡現(xiàn)象的研究為主線,介紹了當(dāng)今天文學(xué)和宇宙學(xué)最為引人注目的兩個(gè)研究領(lǐng)域,即暗物質(zhì)和暗能量,同時(shí)介紹了引力理論和現(xiàn)象、宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的一些基本知識(shí)。我沒有讀過英文原文,機(jī)緣湊巧,兩位中文譯者請(qǐng)我校閱他們的翻譯,我乘機(jī)通過本書學(xué)習(xí)了過去我不太熟悉的一些知識(shí),例如微引力透鏡效應(yīng)、X射線天文學(xué)。當(dāng)然,本書的重點(diǎn)是通過不同側(cè)面的研究展示目前暗物質(zhì)和暗能量的研究成果,而將重心放在暗物質(zhì)的研究上面。

全書由12章和尾聲以及附注組成。第1章介紹了宇宙的組成和宇宙的歷史;第2章和第3章介紹愛因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論以及宇宙的膨脹;第4章介紹引力透鏡即愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡,包括一些奇特的引力透鏡現(xiàn)象:一個(gè)球狀物通過引力透鏡成像為一個(gè)環(huán)狀物,物體的拉伸和變形,甚至一個(gè)目標(biāo)會(huì)形成多重影像, 形成引力透鏡的質(zhì)量越大、分布越大,則引力透鏡的效應(yīng)越明顯;第5章介紹了在暗物質(zhì)研究歷史中最為流行的兩類暗物質(zhì)候選者,勇士和懦夫。這里勇士即 MACHO,是英文“大質(zhì)量致密暈物體”的縮寫,這些大質(zhì)量致密物體可能是黑洞,可能是昏暗的星體,而微引力透鏡效應(yīng)的研究的確證實(shí)了這些物體的存在,但占宇宙物質(zhì)的比重不足以解釋所有的暗物質(zhì)。懦夫即WIMP,是英文“弱相互作用重粒子”的縮寫,這些粒子非?？赡苁前滴镔|(zhì)的主要組成部分。

第6章到第9章介紹暗物質(zhì)研究的各個(gè)側(cè)面,第10章和第11章介紹宇宙的加速膨脹和暗能量;最后,第12章介紹宇宙的最早期,如暴漲宇宙時(shí)期、那個(gè)時(shí)期產(chǎn)生的時(shí)空不均勻性和引力波。我覺得最后的附注很好,為愿意進(jìn)一步從專業(yè)的角度學(xué)習(xí)和研究宇宙學(xué)的讀者提供了一些重要和經(jīng)典的參考文獻(xiàn),并提供了少量的正文中沒有給出的關(guān)鍵公式。這也許是最值得科普著作寫作者學(xué)習(xí)的模式。

由于暗物質(zhì)并不是我研究的領(lǐng)域,我在閱讀這本書的校樣過程中學(xué)到很多知識(shí),我因此推測作者自己的研究領(lǐng)域是引力透鏡和暗物質(zhì)。這本書的主體的講述方式非常通俗易懂,為了通俗易懂的目的作者花了很多心思,但個(gè)別的地方一些形象的比方未必是完全正確的。有些地方對(duì)宇宙學(xué)的一些結(jié)果過分肯定,例如十分肯定暗能量占宇宙能量密度的73%,物質(zhì)(包括暗物質(zhì)和普通物質(zhì))占能量密度的27%。這些數(shù)字主要來自著名的維爾金遜微波背景輻射各向異性探測器的研究結(jié)果,該實(shí)驗(yàn)以精確性著稱,所以其他實(shí)驗(yàn)都不自覺地在數(shù)字上靠攏這個(gè)實(shí)驗(yàn)。最近,已經(jīng)出現(xiàn)了不同的聲音,開始質(zhì)疑這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的數(shù)據(jù)分析方式和結(jié)果。也許, 在不遠(yuǎn)的將來,暗能量和暗物質(zhì)所占的比重可能被修改。

我向?qū)τ钪鎸W(xué)和天文學(xué)感到好奇的讀者大力推薦這本書,雖然這本書的中文譯本的出版還要等一段時(shí)間。

中科院理論物理研究所　李　淼

(本文首發(fā)于《新發(fā)現(xiàn)》,2009(9))