最早人類對於引力的理解是牛頓的萬有引力,兩個物體會互相吸引,跟物體間的距離和物體的質量大小有關。引力和光扯上關係是源於《廣義相對論》,愛因斯坦描述了引力其實是時空扭曲的產生的現象,並非是力的作用,約翰·惠勒,解釋時空幾何時說:
「質量告訴時空如何彎曲,時空告訴質量如何運動。」
1919年,愛丁頓團隊拍攝了日食太陽的照片,發現了星光偏轉證實了廣義相對論。太陽背後的星光,路過了由於太陽質量扭曲的時空,發生了角度的偏轉,星光表述的星系位置與實際位置不符,就如同放在水中的筷子,好像發生了彎折。
所以不能說能讓光發生彎曲的引力有多大,而是說讓光發生彎曲的時空扭曲曲率需要多大。
等效原理
光線在引力場中彎曲源於《廣義相對論》,而《廣相》又基於《等效原理》,等效原理其實就是一個在電梯稱體重的故事。
當我們進入電梯的時候,電梯還未上升時,我們與電梯是相對靜止的,人受到了地球的引力,還受到了電梯的底部對人的支撐力,所以人靜止不動。
假設電梯裡有一個體重秤,人在站上面。突然你感覺到電梯對人的支持力變大了,秤上的示數增加了。原因很容易想到,因為電梯動了,勻加速上升,有了一個向上的加速度a。
還有另外一種情況,電梯並沒有動,因為某些原因,地球的引力突然間增加了,也就是重力加速度g增大了,電梯對人的支持力也增加了,所以人相對於電梯靜止不動。
如果你看到秤上的示數重100斤漲到了120斤,其實並不是你變胖了。愛因斯坦說:如果這個電梯是封閉的,那麼你無法清楚電梯到底是在上升,還是地球引力變大了,這兩種情況是等效的,並且我們可以發現這個過程中其實變量是加速度a和g,所以恆星引力(引力場)與加速度(慣性場)是等效的,這就是廣義相對論的基礎《等效原理》。於是,描述物體下落,恆星之間相對運動的關係,就不需要萬有引力中的相關概念,牛頓就可以領盒飯了。
光線彎曲
當愛因斯坦悟出等效原理之後,突然想到了一件事,如果在一個可以透光的電梯裡射入一道光線也會出現等效原理。
當電梯不受任何力,一束光不受任何力從電梯中的一個小孔中射入,就會從同一高度射出。
慣性場:如果電梯處於加速上升的狀態,那麼光線在電梯內的軌跡就會發生彎曲,但在電梯之外的人看來,光線是同一高度進出的。
引力場:如果電梯處於恆星當中,因為恆星中具備向下的加速度(重力加速度),那麼光線在電梯內的軌跡也會發生向下彎曲,在引力場外的人看來,光線發生了向下偏移。
如果我們拿掉地球上靜止的電梯,地球之外的的人,就可以發現地球的引力場,使光發生了偏轉。
為什麼地球上的人感受不到光線發生偏轉?
加速度a有強弱之分,g也有強弱之分,宇宙學中常用強引力場和弱引力場來表述,因為愛因斯坦描述引力的現象是時空的幾何性質,所以也可以說是時空曲率大或時空曲率小,決定這一性質的是天體的質量。
2019年,人類首張黑洞的照片,就是強引力場的證明,黑洞產生的時空曲率最大。太陽使光發生輕微的偏轉,而光一旦進入黑洞的視界中,將無法逃脫。
地球在太陽面前更不夠看了,不過地球並非沒有引力場。宇宙中的任意一處時空時時刻刻都在發生著扭曲,因為物質在宇宙中無處不在,大到天體,小到一顆粒子。只要有物質就有質量,有質量就會產生時空彎曲,哪怕質量極其小,曲率接近於0,那也是產生了時空彎曲。
我們之所以可以在地面上行走,之所以有上下之分,因為地球也存在引力場,火箭發射需要達到第二宇宙速度11.2km/s,就是為了擺脫地球的引力場。
地球的引力場太小,曲率太小,並且人類的視野有局限性,所以光線偏轉的角度太小,人類無法感知。就像雖然你知道地球是圓的,但是如果你站在地面上,你無法用肉眼觀察到地球表面的彎曲。