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(guó)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(xiàng)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(gè)科學(xué)界，嘆為觀止的清晰度讓韋伯登頂全球新聞首頁(yè)。對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)宛如藝術(shù)作品的照片本身就已足夠驚艷，而對(duì)于科學(xué)家尤其是物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這 " 史上最貴照片 " 則是對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的大和小的進(jìn)行了完美詮釋。

世界有時(shí)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(guó)總統(tǒng)拜登親自 " 帶貨 " 公布的照片，圖中的每一個(gè)亮點(diǎn)都是一顆恒星或者一整個(gè)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(jì)的緣故，恒星的光芒會(huì)像波浪一樣在特定位置匯聚，進(jìn)而在拍攝時(shí)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(zhǎng)六角星形狀的星芒，通過(guò)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(méi)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(yáng)系。照片中每一個(gè) " 發(fā)光盤 " 都是堪比銀河系的一整個(gè)龐大星系，里面少則有數(shù)千萬(wàn)多則幾兆的恒星。而由于我們知道距離太陽(yáng)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(jì)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(shuō)在這一張展示星系照片內(nèi)，韋伯拍攝到了至少千兆萬(wàn)兆的行星，一個(gè)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(gè)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(gè)未能完全攤開的煎雞蛋。

沒(méi)錯(cuò)，這張照片其實(shí)也隱含了廣義相對(duì)論的另一證據(jù)，事實(shí)上天文學(xué)上管觀測(cè)到的圍繞星體的 " 光環(huán) " 叫 " 愛(ài)因斯坦環(huán) "。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論里提出宇宙是一個(gè)由長(zhǎng)寬高和時(shí)間組成的四維網(wǎng)絡(luò) " 時(shí)空 "，任何質(zhì)量都會(huì)對(duì)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(shuō)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(gè)人都會(huì)對(duì)周邊的時(shí)空產(chǎn)生扭曲進(jìn)而產(chǎn)生引力，我們感受不到只是因?yàn)橘|(zhì)量過(guò)于小而導(dǎo)致扭曲可以完全忽略不計(jì)。廣義相對(duì)論的一個(gè)經(jīng)典錯(cuò)誤理解便是質(zhì)量扭曲光導(dǎo)致光拐彎，實(shí)際上光并不會(huì)拐彎只會(huì)直線傳播，質(zhì)量扭曲的是光行走的時(shí)空并不是光自身，進(jìn)而產(chǎn)生了光 " 拐彎 " 的錯(cuò)覺(jué)。

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(shí)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(jué)而已。正是憑借扭曲時(shí)空這一特性，才有了天文學(xué)上稱為引力透鏡的獨(dú)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(duì)時(shí)空造成了非常大的扭曲，原本不會(huì)到達(dá)地球的光 " 拐彎 " 到達(dá)了地球。

那個(gè)形狀奇特的淡紅色星系并不是真的那個(gè)樣子，而是其發(fā)射出的光在路過(guò)距離地球較近的恒星時(shí)經(jīng)過(guò)了被恒星扭曲的時(shí)空，導(dǎo)致被我們觀測(cè)到時(shí)成了扭曲的樣子。這一獨(dú)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(zhǎng)消耗的能量也越多，進(jìn)而會(huì)往波長(zhǎng)越長(zhǎng)頻率越低的方向移動(dòng)，由于可見(jiàn)光中紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，這種現(xiàn)象也被叫做紅移。實(shí)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(guò)了可見(jiàn)光的波段而進(jìn)入了遠(yuǎn)紅外線的波段，肉眼是完全看不見(jiàn)的。韋伯拍攝的照片類似于紅外探測(cè)器，把紅外波段的光以肉眼可見(jiàn)的彩色光形式表現(xiàn)了出來(lái)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)色彩越紅。換言之我們看到的是其實(shí)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(lái)說(shuō)，韋伯的本質(zhì)是一臺(tái)時(shí)光機(jī)，帶我們看到了宇宙誕生之初星系的時(shí)光機(jī)。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(shí)間這一常被忽略的參考系下的跨度之大。當(dāng)然，愛(ài)因斯坦又雙叒叕對(duì)了，在越龐大的物體下，他提出的廣義相對(duì)論依然是最符合觀測(cè)的 " 萬(wàn)物理論 "。

韋伯的小

估計(jì)在說(shuō)愛(ài)因斯坦環(huán)時(shí)便會(huì)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(lái)自不同的星系，哪些只是同一個(gè)星系的光經(jīng)歷了時(shí)空扭曲后被分散開來(lái)了呢？如果看到兩個(gè)星系的樣子，是怎么區(qū)別只是兩個(gè)不同的星系還是同一個(gè)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(ài)因斯坦，倒不如說(shuō)愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)且蛩麑?duì)光電效應(yīng)的詮釋推動(dòng)了量子力學(xué)的誕生。簡(jiǎn)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(shuō)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(huì)到更高的 " 樓層 "，當(dāng) " 高層 " 的電子返回原來(lái)所屬的 " 低層 " 時(shí)會(huì)以光的形式釋放之前吸收的能量。由于每個(gè)元素的電子數(shù)量不同，所處 " 樓層 " 也不同，其 " 歸家 " 時(shí)釋放的光的波長(zhǎng)也不盡相同，以可見(jiàn)光的說(shuō)法理解便是每個(gè)元素都有自己獨(dú)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(lái)自星體的光分散到不同的波長(zhǎng)，看其在不同波長(zhǎng)下的強(qiáng)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(gè)被 " 壓扁 " 的星系光譜非常相似，在波長(zhǎng) 1.2 微米和 1.25 微米兩處都有類似的峰值，分別對(duì)應(yīng)的氫和氧的顏色線。考慮到兩個(gè)星系在照片上的接近程度，完全可以判斷這兩處光盤其實(shí)是同一個(gè)星系在引力透鏡效應(yīng)下的結(jié)果。

而如果把光譜的波長(zhǎng)范圍再擴(kuò)大到能覆蓋更多的波長(zhǎng)，微米級(jí)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(cè)到了除去氫氧外的另一氣體氖的放射光譜，進(jìn)一步證明氖在宇宙中的豐度很高，實(shí)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(méi)完，通過(guò)對(duì)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(zhǎng)上的位移，峰值的形狀，強(qiáng)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(guò)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(huì)向著波長(zhǎng)更長(zhǎng)的方向移動(dòng)，光譜上講便是峰值朝右移動(dòng)。通過(guò)對(duì)比移動(dòng)的幅度能計(jì)算出星系相對(duì)地球的距離，紅移幅度越大，說(shuō)明星系距離地球越遠(yuǎn)。

而這些龐大的信息，全部來(lái)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(yùn)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(jí)別物體的最佳理論，在宇宙的另一端也是最符合觀測(cè)的 " 萬(wàn)物理論 "。

物理學(xué)上有一個(gè)說(shuō)法，下一個(gè)把 " 大 " 和 " 小 " 結(jié)合的人將會(huì)是下一個(gè)愛(ài)因斯坦。100 億美金帶來(lái)了 " 廣義相對(duì)論 " 和 " 量子力學(xué) " 這兩個(gè) 20 世紀(jì)最偉大科學(xué)理論的同臺(tái)共舞，卻沒(méi)法解決兩者天然的矛盾。愛(ài)因斯坦窮盡一生都未能將兩個(gè) " 萬(wàn)物理論 " 融合，只留給了后人無(wú)盡的遐想，霍金曾經(jīng)說(shuō)過(guò) " 萬(wàn)物理論 " 將會(huì)是科學(xué)的最終勝利。不過(guò)如果說(shuō)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(shí)際上占據(jù)的天空面積不如舉起手臂的一粒沙子。

不用說(shuō) 50 年，僅 20 年前天文學(xué)都不敢想象的清晰度和觀測(cè)效率，韋伯真的將其變成了現(xiàn)實(shí)。或許有一天，韋伯這 " 史上最貴照片 " 能有 " 萬(wàn)物理論 " 來(lái)詮釋吧。