愛因斯坦說引力使光線彎曲,地球上的光線為什麼沒有發生彎曲?

2020-12-03 科學美少男

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。

相關焦點

  • 愛因斯坦是如何發現光線彎曲的?廣義相對論是正確的,原因在這裡
    如果你在同一個電梯裡,但不是加速,而是靜止在地球表面,你在裡面會經歷什麼?來自地球的重力以同樣的加速度(9.8m/s2)將地球表面的所有物體向下拉。如果電梯是靜止在地面上的,地球引力仍然會導致電梯內的每一個物體以9.8m/s2的速度向下加速:這與不在重力場中的電梯以這個速度向上加速的結果是一樣的。
  • 引力能讓光線發生彎曲,那麼太陽對應的引力透鏡焦距有多遠?
    理論上任何一個天體的引力都能讓光線發生彎曲,只是彎曲的程度不一樣而已,以我們的太陽為例,在日全食之時,就會發現太陽附近的星星位置發生了改變,而太陽引力透鏡的焦點,大約距離太陽1000個天文單位(0.016光年)。
  • 光線會因空間繞道而行,空間彎曲究竟有什麼樣的魔力
    那麼,直尺和橋梁為什麼會彎曲呢?那是因為壓力大於它們的承受力了。宇宙中常常見到的種彎曲空間叫作黎曼空間。我們之所以感受不到空間彎曲是因為,在地球上空間彎曲是可以忽略不得。但是我們可以設想一下,假如空間彎曲成一個密封的球體,我們從中不停地向前走,一定會走回到我們最開始的位置。這種情景就像是地球圍繞著太陽運轉一樣,所以說彎曲空間是存在的。
  • 引力彎曲光線的那些事兒 | 賢說八道
    但是,在構造廣義相對論的過程中,愛因斯坦於1915年認識到從前的計算結果只得到了偏轉角的一半,於是又作了修正,愛因斯坦因此成為了第一個得到引力彎曲光線正確計算的人。1919年,英國人愛丁頓(Arthur Stanley Eddington, 1882-1944) 領導的探險隊拍攝日全食時刻的星空照片,據說驗證了引力偏折的愛因斯坦理論的正確性。這大體就是引力彎曲光線現象被提出和對待的歷史簡述。
  • 利用大氣彎曲聚焦光線 地球可變身「望遠鏡鏡頭」
    據美國《科學新聞》雙周刊網站近日報導,美國一名天文學家提出,可利用地球大氣彎曲和聚焦光線,把整個地球變成一個「望遠鏡鏡頭」。這種「地球望遠鏡」可以利用太空中的一種探測器來收集折射光。當恆星的光線抵達地球大氣時,光線會發生彎曲(或折射)。這種彎曲使光線集中並聚焦在地球另一邊空間中的某個區域。
  • 地球有引力,為什麼生活中看不到彎曲的空間?可能被我們忽視了
    引力是時空彎曲,我們能看到物體被地球引力吸引,為什麼看不到「彎曲狀態的時空」?首先我們要知道自愛因斯坦以後,空間是一個切實存在的實體,它能大能小,能表現出各種不同的曲率。而且你眼前能看到的任何事物的形狀,空間都可以表現出來。其實彎曲的空間隨處可見,只是我們沒有察覺!
  • 光線應該是彎曲的,只不過曲率趨近於零!
    自古以來,人們一直認為,光線是直線傳播的如果在人們所能接觸到的空間範圍裡,光線也肯定是直線傳播的。幾百年前,人們也認為,地球是平直的。因為,在人類的視野範圍內,看到的大地,都是平坦的。但,如果站在很高處,比如,站在高山上看遠處大海裡的船,就會發現地球是球形的。
  • 當光子沒有質量時,黑洞是如何彎曲光的軌跡的?
    不過請注意愛因斯坦在1916年說到:「光線的彎曲只發生在光速是空間變量的地方」。他沒有說光「遵循時空的曲率」,這就是所謂的對孩子撒謊。你所在的房間裡沒有可檢測到的潮汐力,所以也沒有可檢測到的時空彎曲,但是你的鉛筆還是會掉下來,這是很容易被發現。愛因斯坦也沒有說「光遵循測地線」。測地線是一種抽象的東西,它實際上並不存在。然而,造成光線彎曲的物理現象確實是存在的。
  • 廣義相對論的時空彎曲效應
    比方說,你在地球上一列勻速直線運動的火車中做物理實驗,我可以理解為是在一個施加了地球引力的慣性系中做實驗;同樣,如果我在太空中一部加速上升的電梯中做實驗,假設上升的加速度剛好等於地球的重力加速度的話,那麼在沒有等效原理之前,我們只能認為這部電梯不是一個慣性系,但是現在,我們可以看成是在一部地球上的、靜止的電梯中做實驗。
  • 這就是愛因斯坦知道重力必須彎曲光的原因
    通過當時技術允許的最高質量的觀察,他們確定了遠處的星光是否被太陽的重力彎曲,以及彎曲的程度。這一結果震驚了許多人,但愛因斯坦(後面尊稱為小愛)肯定認為這是自己的常規操作,不必驚訝。如果你在同一部電梯裡,但它沒有加速,而是靜止於地球表面,你會從裡面體驗到什麼?來自地球的重力以同樣的加速度拉下一切——9.8米/秒—在我們星球的表面。如果電梯靜止在地面上,地球的引力仍然會導致裡面的每個物體在9.8米/秒的加速度下向下運動:同樣的結果就好像電梯正以這個速度向上加速。
  • 光一直都直線傳播,愛因斯坦說會被引力彎曲,愛因斯坦錯了嗎?
    但愛因斯坦又明確無誤的告訴大家,光線會被引力場彎曲,並且在1919年的日食觀測中證明,那麼光線到底是直線傳播還是曲線傳播?引力場彎曲光線愛因斯坦在1916年發表了廣義相對論,關於其推導過程是在有些複雜,咱吃瓜群眾就不用糾結了!但其中的結論非常簡單暴力,愛因斯坦認為牛頓關於時間與空間描述的絕對時空觀錯了:牛頓認為時間和空間是分離的,天體在空間中通過以太傳播的引力為紐帶連接起來,構成一個龐雜的大網!
  • 光線有沒有質量?如果沒有,黑洞為何能夠吸住光呢?
    通過廣義相對論,可以推測出,當物體質量非常大時,就會地周圍的時空產生最大程度的彎曲,以至於光線都被束縛住,從而我們無法通過儀器直接觀測到從黑洞中發出的任何信息。有的朋友不禁心生疑問,光線既然可以達到最高速度,表明其沒有質量,那麼根據萬有引力定律,沒有質量的物體不可能會受到引力作用,那麼為何還會被黑洞吸住呢?在這裡我們首先要澄清一下這個光線有無質量的問題。
  • 時空真的可以彎曲嗎?細思謬極
    愛因斯坦根據等效原理,認為大質量物體可以使周圍的時空彎曲,根據是光線在大質量物體旁邊經過時光線會發生偏折,這的質量物體大到什麼程度才算大呢?比如地球,比如太陽。在發生日全食時觀測太陽身邊兩顆星星光線傳到觀測儀器上的夾角,等太陽離開之後
  • 是什麼導致光線發生紅移?
    取而代之的是,該光線會受到其路徑上所有物體的影響,並且我們最終觀察到的光線與從遙遠的河外光源發出的光線完全不同。光由於沒有靜止的質量,卻仍然攜帶著能量和動量,因此在穿過宇宙時永遠不會減速。它只能以光速行進。具有質量的物體的移動始終會比光速慢——因為將其加速到光速將需要無限量的能量,而光本身必須始終以相同的速度傳播。僅當它不在真空中時,即當它穿過包含物質的介質時,光線才會減速。
  • 如何理解空間彎曲
    幾何曲面可以有彎曲的,因為它是三維空間中彎曲物體表面的數學抽象,任何形狀都對應物體的表象。故如果僅從字面上理解「空間彎曲」,這是無法想像的。空間不是什麼膜,也不是某種網,它本來就空空如也,又如何能被彎曲?故要弄清這個疑難,還得先了解一下彎曲空間的由來。愛因斯坦提出「空間彎曲」的觀點是根據強等效原理所做的理想實驗得出的。
  • 時空彎曲:時間與空間原來是不可分割的
    愛因斯坦提出狹義相對論後,他進行了進一步的思考,認為:大質量的物體讓其周圍的空間發生彎曲,從而導致經過它周圍的光線走了一個彎曲的路徑。在愛因斯坦的理解中,時間和空間都不是固定不變的,那麼它們之間有什麼關係嗎?
  • 為什麼光會受到重力的影響?光又是怎麼被重力彎曲的?
    如果光子無質量,為什麼光會受到重力的影響? 光在時空中傳播,時空可以被扭曲和彎曲,所以光在大質量物體存在時應該會下降和彎曲。這種效應被稱為引力透鏡效應。引力透鏡效應是由引力引起的光的彎曲。 這是一個很好的問題……首先,愛因斯坦的廣義相對論回答了這個問題。在大多數情況下,人類在日常生活中會遇到光線大致直線,但會因重力而彎曲。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    根據這三個速度,人們才能夠發射出人造天體,脫離地球引力飛往太空。愛因斯坦廣義相對論揭示了引力的本質屬性。牛頓萬有引力定律雖然揭示了這個世界普遍存在的一種力,而且也得出了這種力的規律,但是他沒能解釋出這種力的根源是什麼,為什麼會有這種力存在。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    根據這三個速度,人們才能夠發射出人造天體,脫離地球引力飛往太空。大質量天體的引力漩渦導致的時空彎曲,甚至可以影響通過的光線,如遠方恆星的光線經過太陽附近時也會被彎曲。為了證實時空彎曲理論,1919年,英國皇家科學院派出以著名天文學家愛丁頓為首的兩支遠徵隊,一支趕到西非普林西比,一支到亞馬遜森林這兩個日全食最佳觀測地點,證實了愛因斯坦的預言。愛因斯坦預言,星光經過太陽邊緣時,會產生1.74角秒的偏差。但太陽光線太強,這點偏差平時根本無法驗證。
  • 是什麼原因導致光線發生紅移?
    取而代之的是,該光線會受到沿其路徑的所有事物的影響,並且我們最終觀察到的光線與從遙遠的銀河外光源發出的光線完全不同。光由於沒有靜止的質量,卻仍然攜帶著能量和動量,因此在穿過宇宙時永遠不會減速。它只能以光速行進。具有質量的物體的移動總是比光速慢-因為將其加速到光速將需要無限量的能量-光本身必須始終以相同的速度行進: c或a中的光速真空。