20 多年的等待和 100 億美金的開銷，詹姆斯 · 韋伯太空望遠(yuǎn)鏡終于傳回了照片。 ( 國內(nèi)官譯 " 韋布 " 望遠(yuǎn)鏡，但本文按作者原譯，仍稱 " 韋伯 " ) 一瞬間開發(fā)超支項目延期的陰影被一掃而空，韋伯的這幾張照片就像深水炸彈一樣引爆了整個科學(xué)界，嘆為觀止的清晰度讓韋伯登頂全球新聞首頁。對于大眾來說宛如藝術(shù)作品的照片本身就已足夠驚艷，而對于科學(xué)家尤其是物理學(xué)家來說，這 " 史上最貴照片 " 則是對現(xiàn)代物理學(xué)的大和小的進行了完美詮釋。

世界有時候就這么巧合，這片瑰麗星云竟和地球上的某片海岸如此相像

韋伯的大

這張由美國總統(tǒng)拜登親自 " 帶貨 " 公布的照片，圖中的每一個亮點都是一顆恒星或者一整個星系。由于韋伯望遠(yuǎn)鏡二次反射鏡面由三角支架支撐，主鏡面采用單片六邊形設(shè)計的緣故，恒星的光芒會像波浪一樣在特定位置匯聚，進而在拍攝時形成明亮的星芒。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡同理，其主反射鏡面為圓形所以光以波浪形式匯聚產(chǎn)生的是十字形星芒，韋伯的則是拉長六角星形狀的星芒，通過是否有明顯的星芒的細(xì)節(jié)便可區(qū)分拍攝到的是位于銀河系內(nèi)的其他恒星，還是更加遙遠(yuǎn)的其他星系。

注意沒有星芒的是星系，不是行星系統(tǒng)或恒星系，類比的是銀河系而不是太陽系。照片中每一個 " 發(fā)光盤 " 都是堪比銀河系的一整個龐大星系，里面少則有數(shù)千萬多則幾兆的恒星。而由于我們知道距離太陽最近的恒星，位于半人馬座的比鄰星都有環(huán)繞其的行星，那么按照統(tǒng)計學(xué)上的概率預(yù)估，可以確定幾乎每顆恒星都有至少一顆行星。也就是說在這一張展示星系照片內(nèi)，韋伯拍攝到了至少千兆萬兆的行星，一個足以挑戰(zhàn)人類理解極限的數(shù)據(jù)。但這并不是這張照片的全部，仔細(xì)看在照片中央圍繞著白光有一圈由紅色 " 盤 " 構(gòu)成的圓圈。在圖右中上還有一個形狀扭曲的淡紅色 " 盤 "，仿佛被其左下的白光 " 頂開 " 了一樣，像一個未能完全攤開的煎雞蛋。

沒錯，這張照片其實也隱含了廣義相對論的另一證據(jù)，事實上天文學(xué)上管觀測到的圍繞星體的 " 光環(huán) " 叫 " 愛因斯坦環(huán) "。愛因斯坦在廣義相對論里提出宇宙是一個由長寬高和時間組成的四維網(wǎng)絡(luò) " 時空 "，任何質(zhì)量都會對這片 " 網(wǎng)絡(luò) " 產(chǎn)生 " 扭曲 "，把 " 四維網(wǎng)絡(luò) " 想象成水面的話，質(zhì)量便是在水面上放入石子造成原本平靜的水面產(chǎn)生波紋，或者說扭曲。這份 " 扭曲 " 便是我們?nèi)粘Ｉ钪懈惺艿降囊Γ碚撋现v任何質(zhì)量，哪怕是一個人都會對周邊的時空產(chǎn)生扭曲進而產(chǎn)生引力，我們感受不到只是因為質(zhì)量過于小而導(dǎo)致扭曲可以完全忽略不計。廣義相對論的一個經(jīng)典錯誤理解便是質(zhì)量扭曲光導(dǎo)致光拐彎，實際上光并不會拐彎只會直線傳播，質(zhì)量扭曲的是光行走的時空并不是光自身，進而產(chǎn)生了光 " 拐彎 " 的錯覺。

舉例而言人在地球上向前行走，在人自身的視角下一直是直線前行，但由于地球的弧度實際上走的也是弧線，只是地球弧度在人的觀察比例下很難察覺而已。正是憑借扭曲時空這一特性，才有了天文學(xué)上稱為引力透鏡的獨特效應(yīng)，仿佛透視一般距離地球更遠(yuǎn)的星系雖然被距離地球更近的星系所遮擋，但由于星系龐大的質(zhì)量對時空造成了非常大的扭曲，原本不會到達(dá)地球的光 " 拐彎 " 到達(dá)了地球。

那個形狀奇特的淡紅色星系并不是真的那個樣子，而是其發(fā)射出的光在路過距離地球較近的恒星時經(jīng)過了被恒星扭曲的時空，導(dǎo)致被我們觀測到時成了扭曲的樣子。這一獨特的 " 透視 " 特性讓我們能看到距離地球非常遠(yuǎn)的星系，這也是圖片上被扭曲拉伸的星系大都呈紅色的原因。距離地球越遠(yuǎn)光要走的距離越長消耗的能量也越多，進而會往波長越長頻率越低的方向移動，由于可見光中紅光的波長最長，這種現(xiàn)象也被叫做紅移。實際上那些在圖中被拉伸的星系距離地球有至少 130 億光年，其發(fā)出的光已經(jīng)大幅度紅移超過了可見光的波段而進入了遠(yuǎn)紅外線的波段，肉眼是完全看不見的。韋伯拍攝的照片類似于紅外探測器，把紅外波段的光以肉眼可見的彩色光形式表現(xiàn)了出來，波長越長對應(yīng)色彩越紅。換言之我們看到的是其實是這些星系 130 億年前，及宇宙大爆炸后數(shù)億年的模樣。

某種意義上來說，韋伯的本質(zhì)是一臺時光機，帶我們看到了宇宙誕生之初星系的時光機。它的大不僅體現(xiàn)在天文望遠(yuǎn)鏡所拍攝到覆蓋的星系之大，還體現(xiàn)在時間這一常被忽略的參考系下的跨度之大。當(dāng)然，愛因斯坦又雙叒叕對了，在越龐大的物體下，他提出的廣義相對論依然是最符合觀測的 " 萬物理論 "。

韋伯的小

估計在說愛因斯坦環(huán)時便會有人好奇，既然距離遙遠(yuǎn)的星系被距離近的星系扭曲拉伸，那又怎么判斷哪些光是來自不同的星系，哪些只是同一個星系的光經(jīng)歷了時空扭曲后被分散開來了呢？如果看到兩個星系的樣子，是怎么區(qū)別只是兩個不同的星系還是同一個星系的引力透鏡效應(yīng)下的結(jié)果呢？

答案是常被稱為星系 DNA 的天文光譜。有趣的是光譜的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，而量子力學(xué)也要一定程度上歸功于愛因斯坦，倒不如說愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎?wù)且蛩麑怆娦?yīng)的詮釋推動了量子力學(xué)的誕生。簡而言之，能量不是連續(xù)的而是量化的，就像 1，2，3 的樓層一樣。（這段不理解的推薦買本科普書《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》）如果說質(zhì)子是 0 層，那么最近的電子在 1 層，1 層站滿后到 2 層，2 層站滿后到 3 層，層數(shù)越高所能 " 居住 " 的電子就越多，樓層越高能量越高，以此類推。電子吸收外界能量后會到更高的 " 樓層 "，當(dāng) " 高層 " 的電子返回原來所屬的 " 低層 " 時會以光的形式釋放之前吸收的能量。由于每個元素的電子數(shù)量不同，所處 " 樓層 " 也不同，其 " 歸家 " 時釋放的光的波長也不盡相同，以可見光的說法理解便是每個元素都有自己獨特的放射顏色線，把所有的線放在一起便是光譜。

所以只需要把接收到的來自星體的光分散到不同的波長，看其在不同波長下的強度，便可知道產(chǎn)生這些光的元素成分，這便是天體光譜學(xué)。比如韋伯的光譜發(fā)現(xiàn)有兩個被 " 壓扁 " 的星系光譜非常相似，在波長 1.2 微米和 1.25 微米兩處都有類似的峰值，分別對應(yīng)的氫和氧的顏色線。考慮到兩個星系在照片上的接近程度，完全可以判斷這兩處光盤其實是同一個星系在引力透鏡效應(yīng)下的結(jié)果。

而如果把光譜的波長范圍再擴大到能覆蓋更多的波長，微米級的光譜還能告訴我們這距離地球遙遠(yuǎn)的星系中的其他元素成分。韋伯的光譜儀便檢測到了除去氫氧外的另一氣體氖的放射光譜，進一步證明氖在宇宙中的豐度很高，實際上之前的預(yù)估氖的豐度以質(zhì)量排名僅次于氫氦氧碳，位列第五。

這還沒完，通過對應(yīng)該元素純凈狀態(tài)下的光譜圖，我們能從不同顏色線在波長上的位移，峰值的形狀，強度等推斷出構(gòu)成星系的其他可能復(fù)雜化合物成分，同樣元素在不同化合物中的放射光譜也不盡相同。舉例而言通過氫氧的光譜線是否類似液態(tài)水的光譜線，便能預(yù)估出星系中是否有可能含有液態(tài)水。除此之外在光譜分析上最常用的便是前文提到的紅移，原本的顏色線會向著波長更長的方向移動，光譜上講便是峰值朝右移動。通過對比移動的幅度能計算出星系相對地球的距離，紅移幅度越大，說明星系距離地球越遠(yuǎn)。

而這些龐大的信息，全部來自 131 億年前一群返回低層能量的電子。韋伯的小不僅體現(xiàn)在精確到納米的光譜儀，還體現(xiàn)在蘊含在細(xì)微光子中的龐大信息。量子力學(xué)，不僅在地球上是描述原子級別物體的最佳理論，在宇宙的另一端也是最符合觀測的 " 萬物理論 "。

物理學(xué)上有一個說法，下一個把 " 大 " 和 " 小 " 結(jié)合的人將會是下一個愛因斯坦。100 億美金帶來了 " 廣義相對論 " 和 " 量子力學(xué) " 這兩個 20 世紀(jì)最偉大科學(xué)理論的同臺共舞，卻沒法解決兩者天然的矛盾。愛因斯坦窮盡一生都未能將兩個 " 萬物理論 " 融合，只留給了后人無盡的遐想，霍金曾經(jīng)說過 " 萬物理論 " 將會是科學(xué)的最終勝利。不過如果說韋伯太空望遠(yuǎn)鏡證明了什么，那便是永遠(yuǎn)別低估人類的可能性。開頭的那一張宛如油畫的圖，實際上占據(jù)的天空面積不如舉起手臂的一粒沙子。

不用說 50 年，僅 20 年前天文學(xué)都不敢想象的清晰度和觀測效率，韋伯真的將其變成了現(xiàn)實。或許有一天，韋伯這 " 史上最貴照片 " 能有 " 萬物理論 " 來詮釋吧。