带你看懂韦伯的“史上最贵照片”

20 多年的等待和 100 亿美金的开销，詹姆斯 · 韦伯太空望远镜终于传回了照片。 ( 国内官译 " 韦布 " 望远镜，但本文按作者原译，仍称 " 韦伯 " ) 一瞬间开发超支项目延期的阴影被一扫而空，韦伯的这几张照片就像深水炸弹一样引爆了整个科学界，叹为观止的清晰度让韦伯登顶全球新闻首页。对于大众来说宛如艺术作品的照片本身就已足够惊艳，而对于科学家尤其是物理学家来说，这 " 史上最贵照片 " 则是对现代物理学的大和小的进行了完美诠释。

世界有时候就这么巧合，这片瑰丽星云竟和地球上的某片海岸如此相像

韦伯的大

这张由美国总统拜登亲自 " 带货 " 公布的照片，图中的每一个亮点都是一颗恒星或者一整个星系。由于韦伯望远镜二次反射镜面由三角支架支撑，主镜面采用单片六边形设计的缘故，恒星的光芒会像波浪一样在特定位置汇聚，进而在拍摄时形成明亮的星芒。

哈勃太空望远镜同理，其主反射镜面为圆形所以光以波浪形式汇聚产生的是十字形星芒，韦伯的则是拉长六角星形状的星芒，通过是否有明显的星芒的细节便可区分拍摄到的是位于银河系内的其他恒星，还是更加遥远的其他星系。

注意没有星芒的是星系，不是行星系统或恒星系，类比的是银河系而不是太阳系。照片中每一个 " 发光盘 " 都是堪比银河系的一整个庞大星系，里面少则有数千万多则几兆的恒星。而由于我们知道距离太阳最近的恒星，位于半人马座的比邻星都有环绕其的行星，那么按照统计学上的概率预估，可以确定几乎每颗恒星都有至少一颗行星。也就是说在这一张展示星系照片内，韦伯拍摄到了至少千兆万兆的行星，一个足以挑战人类理解极限的数据。但这并不是这张照片的全部，仔细看在照片中央围绕着白光有一圈由红色 " 盘 " 构成的圆圈。在图右中上还有一个形状扭曲的淡红色 " 盘 "，仿佛被其左下的白光 " 顶开 " 了一样，像一个未能完全摊开的煎鸡蛋。

没错，这张照片其实也隐含了广义相对论的另一证据，事实上天文学上管观测到的围绕星体的 " 光环 " 叫 " 爱因斯坦环 "。爱因斯坦在广义相对论里提出宇宙是一个由长宽高和时间组成的四维网络 " 时空 "，任何质量都会对这片 " 网络 " 产生 " 扭曲 "，把 " 四维网络 " 想象成水面的话，质量便是在水面上放入石子造成原本平静的水面产生波纹，或者说扭曲。这份 " 扭曲 " 便是我们日常生活中感受到的引力，理论上讲任何质量，哪怕是一个人都会对周边的时空产生扭曲进而产生引力，我们感受不到只是因为质量过于小而导致扭曲可以完全忽略不计。广义相对论的一个经典错误理解便是质量扭曲光导致光拐弯，实际上光并不会拐弯只会直线传播，质量扭曲的是光行走的时空并不是光自身，进而产生了光 " 拐弯 " 的错觉。

举例而言人在地球上向前行走，在人自身的视角下一直是直线前行，但由于地球的弧度实际上走的也是弧线，只是地球弧度在人的观察比例下很难察觉而已。正是凭借扭曲时空这一特性，才有了天文学上称为引力透镜的独特效应，仿佛透视一般距离地球更远的星系虽然被距离地球更近的星系所遮挡，但由于星系庞大的质量对时空造成了非常大的扭曲，原本不会到达地球的光 " 拐弯 " 到达了地球。

那个形状奇特的淡红色星系并不是真的那个样子，而是其发射出的光在路过距离地球较近的恒星时经过了被恒星扭曲的时空，导致被我们观测到时成了扭曲的样子。这一独特的 " 透视 " 特性让我们能看到距离地球非常远的星系，这也是图片上被扭曲拉伸的星系大都呈红色的原因。距离地球越远光要走的距离越长消耗的能量也越多，进而会往波长越长频率越低的方向移动，由于可见光中红光的波长最长，这种现象也被叫做红移。实际上那些在图中被拉伸的星系距离地球有至少 130 亿光年，其发出的光已经大幅度红移超过了可见光的波段而进入了远红外线的波段，肉眼是完全看不见的。韦伯拍摄的照片类似于红外探测器，把红外波段的光以肉眼可见的彩色光形式表现了出来，波长越长对应色彩越红。换言之我们看到的是其实是这些星系 130 亿年前，及宇宙大爆炸后数亿年的模样。

某种意义上来说，韦伯的本质是一台时光机，带我们看到了宇宙诞生之初星系的时光机。它的大不仅体现在天文望远镜所拍摄到覆盖的星系之大，还体现在时间这一常被忽略的参考系下的跨度之大。当然，爱因斯坦又双叒叕对了，在越庞大的物体下，他提出的广义相对论依然是最符合观测的 " 万物理论 "。

韦伯的小

估计在说爱因斯坦环时便会有人好奇，既然距离遥远的星系被距离近的星系扭曲拉伸，那又怎么判断哪些光是来自不同的星系，哪些只是同一个星系的光经历了时空扭曲后被分散开来了呢？如果看到两个星系的样子，是怎么区别只是两个不同的星系还是同一个星系的引力透镜效应下的结果呢？

答案是常被称为星系 DNA 的天文光谱。有趣的是光谱的理论基础是量子力学，而量子力学也要一定程度上归功于爱因斯坦，倒不如说爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖正是因他对光电效应的诠释推动了量子力学的诞生。简而言之，能量不是连续的而是量化的，就像 1，2，3 的楼层一样。（这段不理解的推荐买本科普书《上帝掷骰子吗——量子物理史话》）如果说质子是 0 层，那么最近的电子在 1 层，1 层站满后到 2 层，2 层站满后到 3 层，层数越高所能 " 居住 " 的电子就越多，楼层越高能量越高，以此类推。电子吸收外界能量后会到更高的 " 楼层 "，当 " 高层 " 的电子返回原来所属的 " 低层 " 时会以光的形式释放之前吸收的能量。由于每个元素的电子数量不同，所处 " 楼层 " 也不同，其 " 归家 " 时释放的光的波长也不尽相同，以可见光的说法理解便是每个元素都有自己独特的放射颜色线，把所有的线放在一起便是光谱。

所以只需要把接收到的来自星体的光分散到不同的波长，看其在不同波长下的强度，便可知道产生这些光的元素成分，这便是天体光谱学。比如韦伯的光谱发现有两个被 " 压扁 " 的星系光谱非常相似，在波长 1.2 微米和 1.25 微米两处都有类似的峰值，分别对应的氢和氧的颜色线。考虑到两个星系在照片上的接近程度，完全可以判断这两处光盘其实是同一个星系在引力透镜效应下的结果。

而如果把光谱的波长范围再扩大到能覆盖更多的波长，微米级的光谱还能告诉我们这距离地球遥远的星系中的其他元素成分。韦伯的光谱仪便检测到了除去氢氧外的另一气体氖的放射光谱，进一步证明氖在宇宙中的丰度很高，实际上之前的预估氖的丰度以质量排名仅次于氢氦氧碳，位列第五。

这还没完，通过对应该元素纯净状态下的光谱图，我们能从不同颜色线在波长上的位移，峰值的形状，强度等推断出构成星系的其他可能复杂化合物成分，同样元素在不同化合物中的放射光谱也不尽相同。举例而言通过氢氧的光谱线是否类似液态水的光谱线，便能预估出星系中是否有可能含有液态水。除此之外在光谱分析上最常用的便是前文提到的红移，原本的颜色线会向着波长更长的方向移动，光谱上讲便是峰值朝右移动。通过对比移动的幅度能计算出星系相对地球的距离，红移幅度越大，说明星系距离地球越远。

而这些庞大的信息，全部来自 131 亿年前一群返回低层能量的电子。韦伯的小不仅体现在精确到纳米的光谱仪，还体现在蕴含在细微光子中的庞大信息。量子力学，不仅在地球上是描述原子级别物体的最佳理论，在宇宙的另一端也是最符合观测的 " 万物理论 "。

物理学上有一个说法，下一个把 " 大 " 和 " 小 " 结合的人将会是下一个爱因斯坦。100 亿美金带来了 " 广义相对论 " 和 " 量子力学 " 这两个 20 世纪最伟大科学理论的同台共舞，却没法解决两者天然的矛盾。爱因斯坦穷尽一生都未能将两个 " 万物理论 " 融合，只留给了后人无尽的遐想，霍金曾经说过 " 万物理论 " 将会是科学的最终胜利。不过如果说韦伯太空望远镜证明了什么，那便是永远别低估人类的可能性。开头的那一张宛如油画的图，实际上占据的天空面积不如举起手臂的一粒沙子。

不用说 50 年，仅 20 年前天文学都不敢想象的清晰度和观测效率，韦伯真的将其变成了现实。或许有一天，韦伯这 " 史上最贵照片 " 能有 " 万物理论 " 来诠释吧。