邂逅彩虹

2022年6月28日，从淡滨尼10道矿湖前往汉阳村的路上，这辈子头一回看到“宽带”（broad band）的七色虹桥，红橙黄绿蓝靛紫，从云的这端，架到苍穹的那端。

一般上看到的彩虹都是较细长的挂在高空上，宽带彩虹悬在近空，距离让人有“宽”的错觉。

“宽带”（broad band）的七色虹桥，红橙黄绿蓝靛紫，从云的这端，架到苍穹的那端

缘，不过百步之遥，百步前不见彩虹，百步后不见彩虹，或许这就是近空所带来的视觉特点。

通常在本地看到的彩虹光谱并不完整，红黄蓝三个主色比较明显。

头一回看到完整的彩虹是在台北。1995年台北的秋天没一丝寒意，倒是下了一场倾盆大雨。阵雨说来就来，说走就走，雨后在故宫博物院上空留下一环七色虹。

雨后在故宫博物院上空留下一环七色虹

2012年观赏过米勒（Jean-François Millet）的《春天》，这是巴比松画派大师（田园画家）晚年之作。当时在国家博物馆为访客导览这幅印象派作品，好多访客都以“梦幻”、很有“feel”来形容《春天》。暴风雨来临前那种窒息的压迫感覆盖着左上方，右上角则出现了些许的蓝天和白云。透过乌云的阳光直射在后面一排树丛上，近处树上的花儿已经含苞待放。远方树下一个人影，在整幅田园的构图中显得渺小，是在躲避暴风雨还是寻访春天？乌云上的两道彩虹，给画面增添许多生气，使人生充满希望。请相信有彩虹，心中有彩虹，梦想就会实现。

彩虹是光学现象，阳光照射到水滴，光线拐个弯，为半空谱曲。为什么生命中的偶遇，会令我们那么开心？

米勒（Jean-François Millet）的《春天》

 

光是可以扭曲的

霍金（Stephen William Hawking）将宇宙物理的概念用简单的文字来传达，让我们相信秋天有童话。其中最引人震撼的是“light can be bent”，光是可以扭曲的。

传统科学教科书告诉我们光是以直线进行的，扭曲的光显然跟我们的大脑直接撞击，或许第一反应就是排斥。

其实小学科学已经做过实验，将吸管放在玻璃杯里，因为光在水中的传播速度不如在空气中快，光线在吸管周围弯曲，导致吸管在水中看起来也是弯曲的。这是传播媒介引起的效应。

当光经过一个质量大的物体附近时，会发生什么事？它是否只是继续沿直线前进，不偏离其原来的路径？它是否会因为附近物质的引力作用，因受力而产生变化？

2019年是确认广义相对论的100周年。1919年5月29日的日全食，两个独立的团队进行考察，测量太阳边缘附近的恒星位置，确定遥远的星光是否被太阳的引力所弯曲，以及弯曲的程度。这个结果让很多人感到震惊，进一步印证爱因斯坦的广义相对论。

 

电梯实验

想一想，如果你让外面一束光，通过一个小孔进入电梯的一侧，并观察它在另一侧的墙壁上出现的位置，结果是什么？

结果将取决于相对于外部光源的速度（velocity）和加速度 (acceleration)。

如果电梯和光源之间没有相对运动（速度）或相对加速度，光束看起来是直直地穿过。

如果有相对运动，但没有相对加速度，光束将在一条直线上移动，但会被移开，不能直接穿过。

如果有相对的加速度，光束将沿着一条弯曲的路径，曲率的大小由加速度的大小决定。

光是可以扭曲的。Credit: Ethan Siegel, “This Is Why Einstein Knew That Gravity Must Bend Light”, 26 April 2019. 

 

日全食带来的启示

爱因斯坦在1911年的构思，于1915年年底完成广义相对论，可以明确预测光的曲线。而且只要知道该质量附近的引力作用强度，就可以进一步计算出偏转的大小。

当然，这在正常情况下是无法观察到的，因为人们无法在白天观察星星。但当日全食发生时，尤其是日全食持续时间较长，天空变得非常黑暗的时候，星星就会显现出来。

1919年大约6分钟的日全食经过南美洲和非洲，英国的阿瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）在巴西的Sobral和非洲的Principe设立两个研究小组来验证爱因斯坦理论。观测结束后，爱丁顿的结论是“至少有一件事是确定的，光有重量。光线在靠近太阳的时候，不会直射。”

“至少有一件事是确定的，光有重量。光线在靠近太阳的时候，不会直射。” Credit: Ethan Siegel, “This Is Why Einstein Knew That Gravity Must Bend Light”, 26 April 2019. 

爱因斯坦的相对论跟早他240年的牛顿引力学不同点在于光的质量。根据牛顿引力学，光没有质量，因此不会被引力影响。爱因斯坦的质能方程E = mc^2（E能量，m质量，c光速），表明光会被引力所影响。

光有质量乃突破性发现，使我们认识到光在靠近太阳的时候不是直射的，也就是说光是可以扭曲的，扭曲后的光速会比299,792,458 m/s慢些。因此相对来说，时间也是可以扭曲的。

科学的探索精神为我们带来新的视野。或许有一天，时光旅行不再是梦，就如倪匡小说，只要找到突破口，平行线可以相交，穿越时空不过是弹指间。

生命中偶遇彩虹，那是因为我们邂逅扭曲的光线。若有机会，你是否同样开心地坐上时光机，往反方向开展太空漫游？这趟旅游可能回到宇宙生命的原点，但永远飞不回来。

  

主要参考

Ethan Siegel, “This Is Why Einstein Knew That Gravity Must Bend Light”, 26 April 2019. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/04/26/this-is-why-einstein-knew-that-gravity-must-bend-light/?sh=439ca8d12ef6 accessed 11 July 2022.

Stephen Hawking, Leonard Mlodinow, The Grand Design, New answers to the ultimate questions of life, Bantam Press 2010, ISBN 9780593058305.

“如果光线能被引力所扭曲，那是否意味着光也有质量？”2020年2月7日。https://www.sohu.com/a/371189297_120085179 accessed 11 July 2022.

 

相关链接

日环食，霍金与黑洞 Ring of fire, Stephen Hawking and black hole

秋天的童话