如果光線沒有質量,為何它會被引力影響?

2020-12-06 天文在線

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關於這個問題,史蒂芬·漢姆給出了錯誤的答案。他認為所有在測地線上運動的天體,無論其質量大小,都做局部直線運動,光線也不例外。當質量大的天體快速運動時,光線運動路徑是天體運動路徑的極限。但是,當運動速度達到極限時,天體質量就會變成零,以保持能量守恆。

重力是由能量而非靜止質量決定的。光和物體中的能量正是吸引其他天體運動的幕後之手(當然,來自各種地方的動量、力量和壓力也起著次要作用)。如果你往一個箱子上照一束光,反射到鏡子上,根據能量,它與其他任何事物一樣受引力吸引。這並不令人驚訝,因為當箱子吸收了光子的時候,用光子質量除以c^2,可知箱子的質量上升了。

重力偏轉了光線,還引發了一種逆反應——光線拉回了重力。這是為了在漸趨平坦的背景中保持動量。

對於黑洞來說,考慮持續加速的觀察者,情況已經很清楚了。這個持續加速的觀察者感受到了局部重力場,但這個局部引力場沒有時空的曲率,這是由於運動。你觀察這個(?)的方法是因為相對論是畢達哥斯拉定理中帶有負號的幾何,加速的時間的曲率,一個圓 x^2 + y^2 = R^2 曲率的半徑恆定,所以雙曲線x^2 - t^2 = (1/a)^2是恆定加速度。

圖解:這是人類史上首張黑洞照片。圖源:cqrb.

這條雙曲線有漸近線,是觀察者從未觀測大的、來自起點的光線。對於雙曲線的右分支來說,任何更趨近於左側而非漸近線的光線都永遠不會到達加速度的觀測者所處位置。觀測者從加速度的飛船中扔出去的任何物體,都會穿過這條光線並被切斷通訊。

這個觀測者會感到被一面巨大的吸收萬物的黑色牆壁追蹤。牆外的光線永遠不會到達觀測者所處位置。這堵牆還在與加速度成比例的溫度下發光發熱。

黑洞就是這樣一堵黑牆收縮成的一個球。當你靠近黑洞時,你可以在原處進行加速,此時視界與加速度「黑牆」——倫德勒時空幾乎無法區分。但是如果你離得很遠,黑洞在你的視野中就是重力的一個起源點。因為地平線是一個球,進入這個球的任何光線都不可能再逃離出來——光線被困住了。

原處觀察者發出的光一直持續到無限的霍金輻射背景中。

圖解:霍金輻射,是一種關於黑洞的理論。在「真空」的宇宙中,根據海森堡不確定性原理,會在瞬間憑空產生一對正反虛粒子,然後瞬間消失,以符合能量守恆。在黑洞視界之外也不例外。史蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外產生的虛粒子對,其中一個被吸引進去,而另一個逃逸的情況。如果是這樣,那個逃逸的粒子獲得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮滅,可以逃逸到無限遠。在外界看就像黑洞發射粒子一樣。這個猜想中的輻射被命名為"霍金輻射"。由於它是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的質量也會漸漸變小,消失;它也向外帶去信息,所以不違反信息定律。圖源:baike.

根據愛因斯坦的廣義相對論,光線受重力的影響與物體受重力的影響相同。這是因為在這個理論體系下,我們不應該根據矢量——比如力——來考慮重力,而應將重力作為宇宙「形狀」的產物。

根據牛頓的看法,引力是一種線性定向的力,在這種力的作用下,所有有質量的物體都被其他有質量的物體牽引。他的分析表明,力的強度與兩個相互吸引的物體的產物成正比,而與它們之間的距離的平方成反比。因此一個蘋果和地球會相互牽引對方,並且蘋果從樹上「掉落」。因為光(無論被看做射線還是光子)沒有重量,因此牛頓的方程預測它永遠不會被任何物體的引力吸引,無論物體多麼龐大。

圖解:蘋果從樹上掉落。圖源:sohu.

為了建造一個與所有研究者保持一致、而且不依賴某些獨立的固定參考系的理論框架,愛因斯坦拋棄了對重力作用的認識,重新設計一個新的理論體系。根據這個理論,所有具有質量的物體都會改變時空的曲率,即宇宙的四維結構。然後,物體遵循已創建的曲線在時空中運動。

圖解:愛因斯坦的廣義相對論認為重力是時空(或宇宙)的一種形態,有質量的物體扭曲時空,在這個時空內的物體沿已扭曲的時空作運動,體現為引力。質量大的物體對時空的扭曲大,質量小的物體對時空的扭曲小(這與牛頓所認為的「引力是一種力」的看法相左)。圖源:dreamstime.

因為人類的大腦不擅長想像四維物體,我們通常用三維空間做比喻。把時空想像成一塊橡膠板,在此刻拉平。如果我們往這個「時空」放置一個質量極大的物體比如一個天體,它會把這塊橡膠板向下推,在橡膠板上產生一圈漣漪或者一個凹陷。

圖解:引力將時空扭曲成了一個漏鬥。圖源:baijiahao.

這個天體的行星在沿著這塊橡膠板運動的時候做的不是直線運動,當它經過這個凹陷時,行進路線會發生彎曲,朝著新的方向運動。如果一個物體以正確的速度運動,它也許會卡在凹陷中,順著軌道沿行星前進,就像一個球繞著輪盤前進。到目前為止,這個理論的預測都和牛頓的預測一樣,但是現在有了一個區別——如果光線沿著時空的這塊橡膠板前進,同樣會跟隨曲線運動,因為時空的曲率已經被天體創造出來了。事實上,如果這個凹陷足夠深,而四面的牆壁很陡,光線可能會掉進這個凹陷中,再也無法逃離。

圖解:不同質量的天體對時空造成的變形。圖中從左至右依次為太陽、中子星、黑洞。圖源sina.

(我們稱作「黑洞」的東西)牛頓沒有注意到光線的彎曲,因為需要一個質量極大的物體,才能使像光線那樣快速運動的物體,彎曲到能被觀測者注意到。這也是我們仍然學習和使用牛頓方程的原因——它在大多數時候都是適用的。但實驗表明牛頓錯了,正如愛因斯坦預測的那樣,光線會被具有質量的物體吸引。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. 精衛-quora

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  • 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。
  • 光沒有質量,為何還會受引力影響?廣義相對論做出了解釋
    如果光子無質量,為何光受引力影響?這是一個非常棒的問題 … 首先,愛因斯坦的廣義相對論回答了這個問題。 (劇透預警,光沿測地線傳播,測地線在人類日常生活中遇到的情況裡大致相當於直線,但它們因引力而彎曲)。
  • 如果光沒有質量,為什麼它會被重力影響?
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  • 如果光子沒有質量,它是怎麼受到引力的影響的?
    當粒子被加速以使其具有一定的動量p(向量p的長度或模長)和相對論質量 mrel,其能量為 And also 在第二個等式中,有兩個很有趣的事情: 如果這個粒子在靜止狀態,動量p=0, 如果我們不管它是否合理並設靜止質量為0,
  • 如果光沒有質量,為什麼它會受重力影響呢?
    的確,光沒有靜質量,但是它其實有多種正常質量。技術上對質量的定義並不適用於光。但是,通過限制光我們有意料之中的發現,光有質量,光產生、也受重力影響。這僅是把重量重新定義為靜質量的難題之一。質量有很多種不同的形式,多數情況下,光表現為質量。在處理重力和無約束光時,將運動方程視為彎曲的空間/時間是很方便的,但我認為這是最好的計算工具,而不是一個基本的揭示。無論如何,因為光只以光速傳播,它的引力行為比簡單的的加速度要複雜的多。注意,由於重力使光彎曲,那麼光一定也有重力。
  • 如果一個粒子沒有質量,它怎麼可能存在?
    如果讓不是理論粒子物理學家的人來想像一個粒子,大部分人會把粒子想像成在空間中上下跳動的小球。但這並不完全正確。證明它的一種方法:試著把那個小球想像成一個沒有質量的粒子。有時候,「質量」和「重量」這兩個詞可以互換使用。因為物體的質量是通過它對力的抵抗來測量的。
  • 光沒有質量,為何會被黑洞吸引?
    ●光有沒有質量?經嚴格的科學實驗證實,光是沒有質量的,嚴格來說沒有靜止質量。自然界中除了光子,傳遞強力的膠子也是沒有靜止質量的。●光為何會被黑洞吸引?上面已經說過了,光具有動質量,那麼是不是就可以利用萬有引力來解釋呢?動質量這一概念確實可以解釋光為什麼能夠被黑洞吸引,但卻存在局限性。
  • 引力是什麼?從這個角度理解,宇宙似乎並沒有引力
    牛頓告訴我們,宇宙中的一切物質,都有一個同樣的屬性:引力。我們都知道物體有引力,沒有一種物體是例外,因此被稱作萬有引力。所謂的萬有引力,就是兩個物體之間會有吸引的作用,這個作用的強弱取決於二者的質量和距離。
  • 如果光沒有質量,那為什麼又會受重力的影響?
    如果時空中的E0能量增加,光速就會相對降低,如果光子的一邊能量較多,那麼它的速度就會相對變慢,並向能量較多一邊傾斜。能量前進,如果這時在光子的路徑上出現呈橫向的E2能量梯度,那麼在能量較高的一側,光子的速度會相對較慢,其路徑也會彎曲。
  • 如果光沒有質量,那為什麼又會受重力的影響?
    圖片來自:Evannovostro如果光子沒有質量,那麼物理學家們也真的不知道重力是如何影響光的。所以,光子是肯定有質量的,否則所有理論都道不清說不明了。但是,這沒有解釋清楚光子是如何與引力場相互作用的。圖片來自:scienceabc更令人遺憾的是,物理學家們也不知道質量是如何產生引力場的,說是質量使時空彎曲不能算作是答案。
  • 時間沒有質量,甚至於根本不是物質,為何引力還可以讓時間變慢?
    光雖然沒有靜止質量,但是它從誕生之時起就一直處於光速運動之中,而運動就會產生慣性質量,而慣性質量又等效於引力質量,所以光一樣會與其它具有質量的物體發生相互的引力作用,因此光會被黑洞強大的引力所束縛,無法逃逸而出,於是黑洞的史瓦西半徑之內就成為了完全不可見的世界,黑洞的「黑」可謂是名副其實。
  • 時間沒有質量,甚至於根本不是物質,為何引力還可以讓時間變慢?
    其實不僅是月球、地球和太陽這樣的宇宙天體,任何具有質量的物體之間都具有相互的引力作用。光雖然沒有靜止質量,但是它從誕生之時起就一直處於光速運動之中,而運動就會產生慣性質量,而慣性質量又等效於引力質量,所以光一樣會與其它具有質量的物體發生相互的引力作用,因此光會被黑洞強大的引力所束縛,無法逃逸而出,於是黑洞的史瓦西半徑之內就成為了完全不可見的世界,黑洞的「黑」可謂是名副其實。
  • 光沒有質量,黑洞是怎樣把它吸住的?
    那麼,黑洞是如果吸住零質量的光的呢?光的相對論質量按照狹義相對論,光沒有靜止質量,凡是具有靜止質量的東西都無法達到光速。,但並非靜止質量,而是相對論質量,與靜質量相對,你也可以把它理解為光子的動質量。牛頓萬有引力理論也會產生光線彎曲?既然有了質量(相對論質量),光子自然是會受引力影響的,所以,根據愛因斯坦給出的光子相對論質量,大家即使用牛頓的萬有引力理論,也能得到光被大質量天體(如太陽)吸引的結果,這將導致,即使在牛頓理論體系下,光的行進方向也會被大質量天體(如太陽)改變,也就是說光線會被彎曲!
  • 如果沒有引力,地球會不會飛向太陽?
    如果掉下去會掉到哪裡?首先一點,這個問題是以我沒在地球的嘗試為出發點的,畢竟在宇宙的空間中是沒有方向之分,所以也就不存在上和下。那我們在地球之所以有上下之分,是因為我沒受到了來自地心的引力。藉助愛因斯坦的廣義相對論,則是地球的質量使得時空產生了彎曲,也就是產生勢能。所以當我沒靜止不動時,就會在勢能的作用下往下掉,這也就是我們認識中的下方。
  • 慣性質量和引力質量為何不同?如果兩者不相等會怎麼樣?
    ,當然是不同的物理量,所以慣性質量和引力質量是有本質區別的,兩者只是單位一樣而已。很多人理所當然地認為:慣性質量和引力質量,都是質量,沒有區別。就如古人理所當然地認為:不受力的物體會向下落、只有力才能使物體運動、太陽繞著地球轉一樣。這就是一個常識誤區。
  • 引力質量和慣性質量為何相等,原因是引力是慣性的源泉!
    引力質量和慣性質量為何相等,原因是引力是慣性的源泉!有幾個網友留言,想讓更簡單的解釋一下:引力是慣性的源泉 這句話。所以就試著來解釋一下,希望可以解答你們的疑惑。引力是物質與物質在引力場中的作用。引力場也是這種作用的結果。而這樣的結果就如同一種空間性質。正是由於這種空間性質,才使得物質具有慣性。
  • 光沒有質量,黑洞是怎樣把它吸住的?答案其實很有趣
    那麼,黑洞是如果吸住零質量的光的呢?光也有質量按照狹義相對論,光沒有靜止質量,凡是具有靜止質量的東西都無法達到光速。不過在發表狹義相對論兩年後,愛因斯坦就發布了一條光的能量計算公式:E=hv。公式裡E是光子的能量,h是普朗克常數,v是光子的頻率。
  • 有質量才有引力,光子沒有質量,但黑洞能把光吸住,這不矛盾嗎?
    並且,我們要知道黑洞的質量是非常大的,沒有上限,根據科學家們的探究發現黑洞引力的影響範圍的關鍵在於其黑洞質量的大小,也就是說黑洞的質量越大,其引力的影響範圍也就越大,一般來說黑洞的質量都是非常大的,那麼引力的影響範圍可想而知
  • 引力彎曲光線的那些事兒 | 賢說八道
    再說了,我們也想像不出任何事物能存在還作用於我們的感覺卻沒有物質的性質).」 這個,這個,這麼論證就有點撒潑了。不過,索爾德納接著說,由這個公式估算,地球甚至太陽造成的光的偏折角都太小,無法觀察。他又接著論證儘管觀察不到,他的計算也是有益的,因為對能觀察到和觀察不到之影響的認識都同樣擴展我們的知識。 讀到這句話時,我總想起中國人算卦的一個標準套路——兩頭堵,怎麼說他都有理。
  • 光沒有靜止質量,怎麼被黑洞吸引?它動質量與希格斯玻色子有關嗎
    光子具有能量這大家都知道,光線經過大質量天體附近是會被吸引這大家也知道,但光子的靜止質量為零,那是怎麼受到引力彎曲的?聽說光子又有動質量,那麼它的動質量又是怎麼來的?這是一個非常有趣的話題,因為光從來都不走彎路,所以黑洞讓光線走「彎路」這個說法是不正確的,那麼黑洞又如何讓光線走起了「彎路」呢,很多朋友認為認為是引力所致,其實這並沒有找到真正的根源,如果要理解這個「引力」彎曲光線的過程,我們必須要來理解一下廣義相對論廣義相對論認為質量能夠改變時空的結構,用我們通俗的話來說就是質量彎曲了時空