苹果因为引力落地？ 这会不会是错觉
光的时空弯曲和重力偏转
利用重力微透镜寻找行星示意图
自牛顿时代以来，重力就出现在科学研究的各种场合。最近，它帮助人类“看见”了银河系外的行星。俄克拉荷马大学的天文学家最近发表了一篇论文，称他们利用美国宇航局钱德拉X射线卫星的数据和重力微透镜效应，在距离我们38亿光年的星系中发现了一组行星。这是人类第一次发现银河系外的行星。
重力不是物质之间的持续吸引力吗？为什么它能帮助科学家“看到”行星？它的本质是什么？
让苹果落地，让地球绕着太阳转。
提到重力，人们总会想到苹果落地的故事。这个故事告诉我们，牛顿坐在一棵苹果树下，正在思考行星的运动，这时一个苹果落在了他的面前，这让他意识到导致苹果落地的重力是导致月球绕地球运行的力。地球不仅吸引苹果，还吸引地球表面的所有物体，包括遥远的恒星。
现在，这个故事的真相颇有争议，而且无法证明。然而，可以肯定的是，提出重力的过程并不像灵感顿悟那么简单。
早在17世纪初，开普勒就总结了太阳系行星的运动规律，并根据前人第谷·布拉赫的观测数据提出了三条行星运动规律。这三条定律分别与太阳系行星的轨道形状、速度和周期有关，并解释了行星运动的轨道规律。
开普勒的行星运动三定律确实使太阳成为太阳系轨道上行星的中心，也使科学家们开始怀疑行星为什么围绕太阳运动。什么主导了他们的运动？
牛顿在17世纪开始思考这个问题。他从开普勒第三定律推导出行星围绕太阳运动所需的力与它们离太阳距离的平方成正比。这是重力的雏形。
然而，万有引力的系统命题要等到1687年。在过去的20年里，牛顿对行星的椭圆轨道和力与距离平方成反比的关系进行了深入的研究，并考虑了重力的普遍性。
1687年，《自然哲学的科学原理》出版。在这部科学杰作中，牛顿提出了三个运动定律和万有引力定律。他认为两个物体之间存在相互吸引，这就是万有引力。这个力的大小与两个物体质量的乘积成正比，与物体之间距离的平方成反比。从万有引力定律，开普勒的三个定律可以推导出来。这表明行星在恒星间的万有引力的控制下运动。
万有引力的命题揭示了太阳、月亮和星星运动的内在奥秘。它已经成为人类理解世界的重要基石。牛顿自己用万有引力定律解释了潮汐和行星进动的现象。牛顿的好朋友哈雷用它预测了哈雷彗星的返回周期。法国天文学家李维根据万有引力计算出海王星的存在。第一、第二和第三宇宙速度计算在航空航天工业中起着重要作用，也有万有引力定律。
值得一提的是，在牛顿的万有引力公式中，有一个万有引力常数g。直到万有引力出现一百多年后，英国科学家卡文迪什用精心设计的扭秤测量了它，使万有引力定律更加完善。
它本质上并不存在，只是一种时间和空间的幻觉。
尽管牛顿的万有引力理论一度被认为是极其精确和完美的，但它也有其局限性。例如，它不能解释重力的本质。还有一些牛顿引力无法解释的自然现象。
天文观测长期以来发现，水星轨道的近日点以非常慢的速度围绕太阳运行，这被称为水星近日点进动。根据万有引力定律，可以计算进动速度。然而，进动速度和从实际观测中获得的精确值之间存在差异。每100年的差值是43角秒。为了弥补这一差异，科学家们做了各种尝试，比如假设水星附近还有另一个火神会影响它的轨道，或者修正重力的平方反比关系，或者采用电磁理论来解释。直到爱因斯坦出现，这些尝试都没有得到证实。
1905年，爱因斯坦根据光速不变的原理完成了狭义相对论的创立。他预言在高速运动的条件下会出现牛顿经典物理学没有的相对论效应。十年后，划时代的广义相对论问世了，它直接针对重力的来源和本质。
与牛顿的理论不同，在广义相对论中，时间和空间不再是相对独立的。考虑物体运动的场景不再是一个三维空间，而是一个四维时空——它与时间和空间相互联系。物体的运动反过来会影响空间和时间。
这两个空间非常不同。牛顿的三维空间是欧几里得的直空间，牛顿经典物理的所有理论都基于此。爱因斯坦的四维时空可能不是直的——它可能是由球面表示的正曲率空间，也可能是由鞍面表示的负曲率空间，只有当曲率为零时，它才被简化为直的空间。空间和时间的曲率由其中的物质决定。
爱因斯坦的广义相对论场方程说明了这种关系:物质的能量和动量会弯曲时空。运动方程显示了物质在这样的时间和空间中的运动规律。
在弯曲时空中，许多规则已经改变。例如，两点之间的最短直线不再是直线，而是一条称为测地线的曲线。在这方面，最直接的例子是美国从北京到洛杉矶的最短路线不是直接向东穿过太平洋，而是先向东北飞行，然后向东南返回进入美国本土的曲线。原因是平面沿着三维球面飞行，两地之间最短的路线是两地与地球中心形成的一个大圆弧，而曲折的路线是它在二维地图上的投影。
弯曲时空中的物质运动也不同于我们的直觉理解。根据爱因斯坦的运动方程，弯曲空间中不受外力作用的*粒子的轨迹可以求解。它是四维时空中的螺旋曲线。如果它被投射到三维空间，它恰好是行星在太阳引力作用下的椭圆轨道。换句话说，行星围绕太阳的运动只是它在四维时空中的惯性运动，它根本不需要任何万有引力。
爱因斯坦创立广义相对论的动机之一是引力不能被纳入狭义相对论的理论框架。在他的新理论中，重力的目的地实际上并不存在！
人们经常用床单来比较这种情况。如果我们不考虑物质对时间和空间的影响，那么我们的时间和空间就像一张拉伸的纸。把一个镜头放在薄片的中心，薄片就会下垂，就像广义相对论中物质弯曲的时空一样。如果一个小球被放在一个下陷的床单上，它会朝着铅球的方向滚动，看起来会被铅球吸引。事实上，球的运动只是由于空间的几何效应。牛顿认为几乎无处不在的重力本质上并不存在。
建造最精确的望远镜来寻找遥远的行星。
利用广义相对论，水星近日点的进动被解决了。爱因斯坦对水星近日点进动速度的计算与观测完全一致。当广义相对论发表时，爱因斯坦还预言，由于空间和时间的曲率，从太阳表面飞出的光子将经历频率的红移，来自遥远恒星的光在经过太阳附近时会发生偏转。这些预测被随后的观察一个接一个地证实，证实了广义相对论描述世界的准确性。尤其是光的重力偏转。虽然牛顿的引力理论也可以计算光的偏转角，但计算结果太偏离了，就像水星近日点的进动一样。
引力透镜效应正是光的引力偏转的表现。像星系(透镜天体)这样的大质量天体会弯曲它们附近的时空。当来自后背景天体的光穿过弯曲的时空时，光会偏转，就像光穿过透镜一样。根据背景天体、透镜天体和观察者的不同位置关系，最终将在观察者的眼睛中形成多个图像或环形图像。1987年，美国天文学家杰奎琳·休伊特首次观察到由引力透镜形成的环形图像——爱因斯坦环。如今，人类已经看到了许多类似的引力透镜图像。
重力透镜与光线偏转的角度取决于透镜物体的质量。如果一个透镜物体的质量不够大，比如一颗恒星，会发生什么？这是引力微透镜效应，可以帮助天文学家找到行星。
计算表明，恒星质量透镜天体产生的爱因斯坦环非常小，即使是最先进的望远镜也无法区分它们。人们看到的只是背景物体，重力微透镜效应越来越亮。此外，在重力微透镜中形成的图像最多只存在几年，与数百万年的重力透镜图像的存在时间相比，这是一个短暂的时间。
尽管观测困难，天文学家发现重力微透镜可以显示他在发现外星行星方面的天赋。当恒星质量物体经过背景物体前面时，重力微透镜会使背景物体在短时间内显得更亮，在光度变化曲线上反映出一个凸峰。然而，如果在观测到的光度曲线上有一个以上的峰，那么在恒星附近还有其他小质量天体，如行星。利用这一特性，我们可以判断一颗外星行星的存在，分析它的质量和它与恒星的距离以及其他参数，即使这颗行星从未在望远镜中出现过。
如果把重力微透镜比作望远镜，它的优势是非常明显的，例如，它允许人们探索更遥远的行星世界。2003年，两个研究小组第一次使用这种方法发现了距离地球16000光年的外星行星。在最新的发现中，天文学家创新性地使用了重力微透镜方法来扩大人类寻找银河系以外行星的范围。
简而言之，在最新的研究中，天文学家利用重力透镜和重力微透镜效应来寻找行星。星系的引力透镜效应创造了后方背景天体的多重虚拟图像。星系中恒星和行星产生的引力微透镜效应改变了这些虚像的光度和谱线频率。观测和模拟结果表明，在距离地球38亿光年的RX J1131231星系中心，有一组质量介于月球和木星之间的行星。重力微透镜创造的“望远镜”比地球和天空中最精确的观测仪器更精确，让人类第一次在其他星系找到行星的证据。