光子的靜止質量為零,為什麼還能被黑洞吸引?

不得不說，光速和黑洞一直以來都是熱門的話題，關於這個問題，想搞明白需要從本質上了解，萬有引力定律，廣義相對論的內容以及光和黑洞等相關知識。接下來本文就為你一個一個講解這些東西。

首先是牛頓經典力學中的萬有引力定律

學過中學物理的都知道它表達的是：任意兩個質點之間都存在相互吸引的力。大小和質量之積成正比，和距離成反比。

萬有引力定律作為經典力學的代表，對於很多現象都能完美的解釋，也可以和其他的理論所相融。並且在宏觀，低速領域，它確實是最好用的理論。

可惜的是當時牛頓並不知道引力的本質是什麼，它又是如何產生的。按照萬有引力的定義，我們可以得出，引力的作用效果是瞬間產生的，也就是說：引力是超距作用的。但是包括牛頓本人都對這個結論感到不滿意。但又找不到更合適的理論來取代它。

萬有引力的局限性

隨著科學的不斷發展，漸漸出現了下列一些牛頓理論所不能解釋的現象和實驗結果。

1.按照萬有引力定律，光線的偏折只要實際觀測的一半2.無法解釋為什麼所有的物質引力質量和慣性質量相同。3.不能完全解釋水星在近日點時出現的進動現象。

為了解釋這些現象，1907年，愛因斯坦初次提出了廣義相對論：將牛頓的萬有引力定律和狹義相對論進行了推廣，從而解決萬有引力定律的局限性，同時也對引力的本質表達出了自己的觀點。

那麼引力的本質是什麼？

在科學上存在四大基本作用力:電磁力、強相互作用力、弱相互作用力、引力。而萬物之間都有引力的存在，引力也是具有質量的物體之間相互靠近的一種趨勢。

在牛頓力學中，萬有引力定律還有一個容易被忽略的一個假設的前提，即：絕對時空觀，簡單來說就是，牛頓認為時空是直的，不存在彎曲。而在愛因斯坦的廣義相對論中，時空則是可以彎曲的，引力就是時空的彎曲才產生的。

在廣義相對論中，愛因斯坦使用測地線的概念重新建立起了時間和空間的關係，他認為，完全真空的空間都是平坦的，但是在有質量的物體作用下，平坦的空間會變彎曲。

宇宙中任何物體（包括光線）都在沿著測地線運動。而引力是時空的一種幾何屬性，有質量的物體可以彎曲它附近的時空，

引力則是時空彎曲的外在表現，並且質量和能量越大，空間曲率越大，相對應的引力效應就越強。

我們都知道地球圍繞著太陽公轉，如果用牛頓力學解釋我們只能說太陽和地球之間存在萬有引力，太陽強大的引力吸引住了地球，而實際上換作相對論來卻能更好的理解引力的本質：

太陽質量太大彎曲了周圍的時空，以至於時空彎曲成了一個類似於漏鬥的樣子。

地球本來要走的是直線，但是附近的時空被太陽彎曲了，這時候經過它的物體會依然沿著被彎曲的測地線運動，所以就產生了被「吸引」的效果。

這就是所謂的測地線的概念，就是因為引力使之沿著彎曲軌道運動的結果。

一句話總結就是：引力的本質是時空的彎曲。下面我們再來討論關於光子的一些性質

波粒二象性光子也被稱為光量子，在電磁相互作用中起這重要的作用，是一種規範玻色子。同其他的基本粒子相比，光子似乎是個另類的存在，因為光子具有波粒二象性：既可以表現出波的折射，幹涉等性質，又可以表現出粒子性。

普朗克首次提出了電磁波攜帶的能量是量子化的，不同頻率電磁波的能量量子為hν，而且他認為光子一份一份的能量單元仍然是一種振動的波，但是愛因斯坦則認為這一份一份的能量單元不是那麼簡單的，當時只知道光是一種電磁波。

光的波粒二象性是愛因斯坦率先同一併證明的，發現所有的物質都具有波粒二象性，波粒二象性是自然界中一切事物運動的最基本量子特徵。

愛因斯坦把黑體輻射和光電效應的實驗現象結合起來再加上牛頓的光粒子學說發現，如果把這一份一份的能量量子看作是粒子，然後讓光通過具有粒子性的能量量子並進行傳播然後與物質發生相互作用，成為第一個成功解釋光電效應的人，光電效應說明了光具有粒子性。

光子可以在很多自然過程中產生，光子在運動過程中具有質量，能量和動量。

在牛頓的經典力學中，描述擁有質量的物體會受到萬有引力的作用，但是在愛因斯坦的相對論中，質量又可以分為靜止質量和動質量。

在物理學中對光子的定義為「光子在靜止狀態下質量為0」，但是因為光子始終都在運動，並且在真空狀態下運動速度為299792458 m/s，也就是約30萬km／s。

而以光速運動的光子同時具有能量和動量，在廣義相對論中，能量和質量是物體的同一個性質，根據E=mc，能量可以等效為質量，也就計算出光子的動質量。

計算光子的質量

所以我們認為光子有動質量。黑洞是愛因斯坦在廣義相對論中預言的一種現象，史瓦西被愛因斯坦的廣義相對論本質所吸引，並且開始尋找它的方程的精確答案。

這個答案表面是：如果將大量物質集中在空間一點，其周圍會產生奇異的現象，也就是質點周圍會存在一個視覺界面，如果一旦進入到這個界面範圍內，連光也是無法逃脫的。

後來被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為「黑洞」。

黑洞是宇宙中最神秘的一種天體，但近百年來人類對黑洞的探索從未停止。直到2019年4月拍攝了第一種黑洞照片——M87*星系黑洞，黑洞位於室女座一個巨型橢圓星系M87的中心，有400億公裡長，距離地球5500萬光年，並且證實了愛因斯坦相對論的黑洞存在。

第一張黑洞照片

黑洞本身是看不到，但是我們可以通過觀測黑洞周圍明亮的吸積盤來間接證明黑洞的存在。

了解了光和黑洞，你應該已經大致明白問題的答案了，我們把這兩者結合到一起再來討論下。前面提到當天體的質量越大，時空被彎曲的也卻嚴重。而像黑洞這種密度無限大，體積無限小的奇點，時空被彎曲的也最大，任何經過它的物體都會沿著被重度扭曲的測地線運動，即使是光也一樣。所以嚴格來說，並不是黑洞吸引了光，而是光本身就一直在沿著彎曲的側地線運動，自己不出來罷了。

結語

最後來個總結。

在黑洞這樣引力如此大的天體面前，牛頓的經典力學已經不再適用，這個時候就需要愛因斯坦的廣義相對論來解釋。實際上光沒有靜質量，但是光子運動的時候就具有了動能，根據質能方程光子也就擁有了質量。光也並不是被黑洞吸引了，而是黑洞嚴重扭曲了附近的時空，導致光沿著被彎曲的測地線運動，所以光根本出不來。看起來就像被黑洞吞噬掉一樣。