如何分辨宇宙中的光線是否被引力彎曲？

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本題來自知乎圓桌?宇宙那麼大，更多討論歡迎關注。

這個問題非常有趣。
答案要說起來也很簡單：宇宙中的所有光線都被引力彎曲了。

為什麼呢？因為引力是長程力，不會因為遠離物體而消失。而宇宙中充滿物質，這些物質在大尺度上分布趨向均勻，在小尺度上分布卻並不均勻。所以幾乎所有的光線的行進路線，都會或多或少的被引力扭曲。這種效應就是引力透鏡。

上圖顯示了光線在經過引力場時發生彎折

下圖是一張天文觀測中引力透鏡效應的示意圖。長方體內的紅色纖維結構代表了宇宙中的物質分布。左端藍色的三個橢圓代表了宇宙深處的星系。它們發出的光線在宇宙中穿行。受到引力透鏡作用，黃色的光線路徑蜿蜒曲折，最終在長方體右端被觀察到。相比原初的圖像，星系的大小和形狀都發生了改變。

Credit: CFHT team

引力透鏡效應無處不在，但是大多數情況下，這種彎曲非常輕微。在弱引力透鏡效應近似下（絕大多數情況下），引力透鏡效應只改變背景的大小和橢率。對絕大多數星系來說，這種改變很微小。星系的平均橢率為0.3左右，但是引力透鏡效應造成的橢率改變，一般在~0.001。

正常情況下，我們知道星系的形狀和原來不太一樣了，但是也沒有太大關係。這種改變對多數研究不會造成影響。但是對於宇宙極遠處的星系。引力透鏡效應可能會帶來一些影響。例如，引力透鏡效應會讓星系亮度增加。在大質量天體附近，引力透鏡效果比較強，這樣宇宙極遠處一些本來應該看不到的星系變得可以被觀測到了。在這個意義上，引力透鏡效應好像一個天然的望遠鏡，幫助我們探查到宇宙的深處。但同時，天文學家也要小心，在計算這些星系的數密度的時候，必須考慮引力透鏡效應改正。

雖然在弱引力透鏡情況下，我們一般無法分辨單個星系被引力透鏡改變的程度。但是統計上，我們可以通過平均一定區域內的星系形狀，來研究引力透鏡效應。

如上圖所示，如果沒有引力透鏡效應，在一塊天區內，宇宙遠處的星系形狀，應該是隨機排布的（因為它們相互之間距離非常遠，應該沒有什麼聯繫）。如果這些星系前方存在一個引力源（比如星系團），它的引力場使得背景星系的形狀不再隨機排布。如果精確統計這些背景星系的形狀，就可以知道前景星系團的物質分布。如下圖中展示了一個星系團，白色的陰影，就是通過引力透鏡效應計算出的星系團物質分布。

所以，引力透鏡效應非常的有用，可以幫助我們繪製宇宙中物質分布的地圖。

好了，讓我們再回到問題。如何分辨被彎曲的光線。

雖然大多數情況下，引力透鏡效應太弱了，無法被肉眼察覺。但也有一些情況下，因為前景的引力場很強（比如星系團中心）。背景天體的形狀會被強烈的改變。比如下圖的星系團中，左上角的藍色長弧，其實是一個背景星系的像被前景的星系團劇烈的扭曲了。

再比如下圖中，背景星系和前景星系恰好都在觀測視線方向上。背景星系的圖像變成了一個環。

再比如，如果前景天體是一個星系，背景天體是一個類星體，當兩者在視線方向上重合時，類星體會產生多個像

為什麼會產生多個像？遠處天體發向不同方向的光線，被引力場匯聚到觀測者，觀測者因此在多個方向上看到了遠處天體發出的光。

左邊中間的天體是真實的天體位置，但是因為引力透鏡效應，地球上的觀測者，看到的光線從兩個不同的方向來到。在觀測者看來，天上有兩個像（左邊上下的兩個黃色圓）。

但是天體物理所謂的「強引力透鏡效應」觀測中，引力場對光線的改變其實還是很弱的。
光線的偏折，仍然可以用一個被稱作弱場近似的公式計算。那麼什麼樣的引力透鏡效應才算是真正的強呢？這個效應大家其實已經見到過，就是《星際穿越》中，黑洞卡剛都亞周圍的景象。

這這種情況下，光線的路徑離黑洞的史瓦西半徑非常近，很多光線在繞黑洞轉了很多圈後才進入觀測者的眼中。黑洞背後的一顆星，可能會成十幾個像。可惜我們離所有的黑洞都太遠了，無法看到這樣宏偉的景象。

光線和引力是同性嗎，被掰彎

1.廣義相對論，現在面臨巨大的挑戰，LIGO實驗表面上是證明廣相，但實際上是證明了洛倫茲而否定了廣相。

2.黑洞如果要噴出物質，不一定非要有白洞效應（量子糾纏為基礎），史瓦西半徑只考慮了穩定的內部質量的情況，黑洞如果是在吸食狀態，那麼質量並不穩定，史瓦西半徑可能會有局部或整體的變型，光有可能會逃逸。

3.量子糾纏，說實話，到現在並不完全認可。因為沒有考慮大爆炸前的奇點時的引力半徑，這個半徑其實完全足夠可以造成現在所謂的量子糾纏狀況。

4.只提出上述三點，其他那些什麼引力透鏡等等都是比較簡單的，就不說了。現代科學感覺被相對論給帶歪了。引力井實驗是最荒謬的理論，中間凹陷部分就不是空間嗎？請區分清楚有物質的空間和無物質的空間。相對空間與絕對空間的概念。愛因斯坦的相對性原理，說真心話，現在並不被完全認可。

有部電影說一戰前後，一位英國天文學家如何驗證愛因斯坦的引力造成光線彎曲的理論。當時全世界信奉牛頓三定律，牛頓英國人，愛因斯坦德國人，英德是敵人，這位英國天文學家花了很大的毅力堅持論證了敵方科學家的理論。
驗證過程大致如下:有顆星星平時不受太陽阻擋，照片晚上記錄了一個位置。一次罕見的日全食，天完全黑下來，這顆星星的光線又被望遠鏡加相機拍下，顯出它白天的位置。這時候光線從經過太陽邊緣射過來，根據愛因斯坦的理論會受到太陽的引力造成輕微彎曲，這樣和平時晚上不受太陽阻擋的位置應略有不同，按牛頓力學應該一樣。日全食的全黑可拍照時間大概有幾分鐘，拍下照片後來在英國科學家大會上公布，和原位置比較，確實有個小偏差，和愛因斯坦理論計算結果一致，從而確定了他在宇宙星體上力學理論老大的地位，牛頓力學在宇宙範圍內計算有局限性。

去看黑洞，有黑洞的地方視線就都在黑洞里了

在日全食的時候可以隱約看見星星點點的亮點，那是太陽後面的恆星，因為太陽的引力使得光線彎曲，我們才能一睹它們的風采。