第3.19节：引力偏折 vs 介质折射：背景几何与材料折射的分水岭

目录 ／ 第3章：宏观宇宙

一、要点先知（给读者的总图）

• 引力偏折：光在“更紧”的背景里走“更长”的路。靠近大质量天体，背景张度更高，本地传播上限更高，光线朝“更紧的一侧”弯折；但几何路径被拉长，总用时常常增加。这一效应不分颜色，适用于光子、引力波等“多信使”。
• 介质折射：光进入材料后与束缚电荷反复耦合，形成有效速度下降与分色（不同颜色折得不同）；伴随吸收、散射与脉冲展宽，路径改变主要发生在界面与材料内部。

二、核心差异（四张“分水岭”卡片）

1. 是否分色

• 引力偏折：不分色；全波段共同弯折、共同时延。
• 介质折射：分色显著；蓝光与红光折射角不同，脉冲到达次序被拉开。

2. 用时的来源

• 引力偏折：本地更快，但走弯路更长，因而总行时更久（路径延长项主导）。
• 介质折射：在材料里有效更慢（耦合—再辐射的停滞），还可能被吸收或多次散射。

3. 能量与相干

• 引力偏折：几何改变为主，能量损耗可以忽略，相干性保持更好。
• 介质折射：伴随吸收、热噪声与去相干，脉冲与干涉条纹更易被“抹宽”。

4. 适用对象

• 引力偏折：光子、引力波、中微子等都受同向几何规则约束。
• 介质折射：主要作用于与材料可耦合的电磁波；引力波几乎“不理会”玻璃。

三、两个故事的“剖面图”

1. 引力偏折（背景几何）

• 场景：靠近星系、黑洞、星系团等大质量体。
• 外观：光路朝“紧的一侧”弯曲；强透镜产生多像与弧，弱透镜带来形变与会聚。
• 计时：同一源的多条路径产生无色散的时间延迟差；全波段一起“早—晚”移动。
• 诊断：比较多波段、多信使的到达时差与偏折角，若共同偏移、比值稳定，指向背景几何。

2. 介质折射（材料响应）

• 场景：玻璃、水、等离子体云、尘埃层等。
• 外观：折射角随波长而变；伴随反射、散射与吸收。
• 计时：脉冲展宽明显，频率越低（在等离子体中）耽搁越大；色散曲线清晰。
• 诊断：去掉已知材料前景后，若分色剩余仍显著，继续追查未建模介质；若分色消失但共同偏移仍在，回到背景几何解释。

四、观测判据与实操清单

• 多波段共测：若光学—近红外—无线电在同一路径上出现共同弯折/时延而无显著分色，优先判为引力偏折。
• 多信使核验：光与引力波（或中微子）对同一事件的到达差若同向变化、幅度相称，说明是背景几何而非材料色散。
• 多像差分（强透镜）：对同一源的多条像路做“相减”，可消去源本身变化；若残差仍不分色且相互相关，指向几何路径差。
• 脉冲展宽曲线：若到达时间的延迟随频率呈系统性展开，且伴随相干度下降，指向介质色散与吸收。

五、常见误解的短答

1. 靠近大质量体，光更慢吗？

• 本地看：传播上限更高；
• 远端看：走弯路更长，总用时更久。两句话不矛盾，指的是不同指标。

2. 介质折射能否伪装成引力透镜？
   在宽波段与多信使对比下很难：介质会分色与去相干，而引力透镜是无色散且适用于多信使。
3. 只看一个波段能区分吗？
   风险大。最稳妥做法是跨波段 + 多信使 + 多像差分三件套。

六、与全书其他部分的接口

• 与 §1.11 统计张度引力（STG）：引力偏折是“坡度导向”的直接外观。
• 与 §1.12 张度本底噪声（TBN）：观测上常见“先噪后力”的次序——底噪抬底，随后几何项加深。
• 与 §8.4 红移成因重述：长路径上的无色散频率位移与计时偏移，属于背景几何与其演化的“路径项”。
• 与 §8.6 CMB 重述：早期“底片 + 显影”的图景依赖无色散的背景效应；介质前景需被系统剥离。

七、小结

• 一句话：引力偏折改的是路形，介质折射改的是材料里的“脚感”。
• 抓手：看分色、看相干、看多像差分、看多信使一致性。
• 方法：把“共同偏移”归入背景几何，把“分色展宽”归入材料响应，在同一张背景张度图上对齐两类效应。