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？

2020-10-18 星辰大海種花家

光直線傳播這個事實應該在小學的科學課中就有說明了，假如你問小學生光是直線還是曲線傳播時，他會明確告訴你是直線！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？

小孔成像表示直線是傳播的

早在兩千四百多年前的墨子就發現了小孔成像的秘密，他為學生們講解了小孔成像的原理，並且指出光的直線傳播這個成像的主要原因！此時要比古希臘亞里斯多德在《論問題》中提到的小孔成像概念還要早100-200多年！

墨子關於小孔成像的記載

當然大家對小孔成像肯定也不陌生，大家一定都玩過，對於光的直線傳播也記憶猶新！關於光直線傳播的自然界中的陽光穿過雲層後的漏光，或者朝陽穿過薄霧，甚至日食等等，都能非常直觀的感受到光的直線傳播！

漏光大片

漏光大片大家看了可不少，但估計天天看也沒人去注意光是直線還是曲線傳播，畢竟這種司空見慣的現象已經很難引起的大家的興趣！

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！在萬有引力為基礎拉普拉斯天體力學將太陽系各行星軌道計算的分毫不差，甚至勒維耶還因此計算到了海王星的準確位置，所以，牛頓經典力學錯了嗎？

當然，有一絲隱憂！在勒維耶計算出海王星軌道以後估計沒事幹，去計算了水星的軌道，結果發現觀測和計算值在100年中差了大約38角秒，這是一個很小的值，但勒維耶非常較真，所以他根據經驗應該有一顆水內行星影響了水星的軌道，這就是著名的水星進動問題，當然這顆行星不存在！

所以當愛因斯坦發表廣義相對論後，第一個開刀的就是水星進動問題，廣相認為引力是質量彎曲時空的表現，因此加入了時空彎曲後的水星進動計算值和觀測值就相當吻合了，廣相當然不會著眼於牛刀小試，它還有一個關於光線被大質量天體彎曲的預言！

也就是愛因斯坦那麼好命，廣相發表三年後就是1919年的日食，而且遮擋的是是畢宿星團的的亮星，特別容易觀測，愛丁頓帶隊為愛因斯坦驗證廣義相對論的質量彎曲光線！

1919年日食彎曲光線示意圖

結果當然是愛因斯坦的大獲全勝，可惜即使驗證了光線被彎曲又如何，1920年和1921年的諾貝爾獎並沒有廣義相對論的份，而愛因斯坦在1922年獲得的是1921年的補發的物理獎，而且還是名不見經傳的光電理論！

光不是走的最短路徑麼？為什麼它在引力場中會走彎路？

這是一個很有趣的話題，其實在彎曲空間中最短的路線並非直線！其實即使在牛頓的萬有引力理論中，光在引力場中仍然會走彎路，因為光子具有動質量，所以它會受到引力而彎曲！但彎曲程度比廣相計算值小一半，因為經典力學中的絕對時空觀空間和時間是分離的！

無論是光還是其它物體，在引力場中都遵循測地線的原則運行，因為在引力場中測地線最短，如果非得將它扳直了，那麼它走的路程可能會更遠！

當然這個特性也為天文學家打開了另一扇窗戶，即通過引力透鏡的方式來發現新的天體，因為遙遠的星系可能很暗淡，但剛好在前景有一個質量比較大的星系，那麼背景中的星系光線會被這個星系聚焦，而變得更加明亮！另一種可能是會形成愛因斯坦環或者十字架類似的虛影，非常有趣！

愛因斯坦環

愛因斯坦十字

相波超光速，曲線前進的光

最後提一個有趣的話題，關於德布羅意波，當年德布羅意童鞋寫累篇論文，描述了電子運動時產生的波，論文的精髓是這樣的：

電子的質量m賦予了它有一個內稟的能量E=MC^2，和普朗克量子公式E=HV就可以推導出電子會有一個頻率ν=mc^2/h，所以電子有一個頻率，它在前進的時候會有一個波，而電子以v0速度前進時候，這個波的速度等於c^2/v0，相信你可以計算出這個速度肯定是超過光速的，因為電子具有靜止質量，因此不可能超過光速！那麼就意味這個速度最低是光速，似乎沒有上限？昏倒，超光速出現了！

德布羅意相波

上圖中綠點的速度是群速度，表示電子真正的速度，而紅點則表示相速度，可以很明確的看到紅點速度明顯高於綠點速度！不過相波不傳遞任何信息，所以愛因斯坦對此睜一隻眼閉一隻眼！

對於光子其實也一樣，光一粒子形式出現時，它是直線傳播的，但會受到引力場影響而彎曲！但當它以波的形式出現時，相波走的明顯就不是直線，這會就很有趣了，因為還有幹涉等各種好玩的光學現象出現，那麼到此時，您認為光是直線傳播的還是曲線傳播的？

相關焦點

  • 引力波會最終證明愛因斯坦廣義相對論錯了嗎?
    過去五年來，愛因斯坦從未有過的驗證，證明了廣義相對論的許多預測都是正確的。在接下來的幾年中，引力波將有前所未有的機會對我們的引力理論進行前所未有的檢驗。到目前為止，我們沒有理由反對愛因斯坦，但探索宇宙的新方法總是有機會向我們表明，它的行為並不像我們期望的那樣。下面是引力波如何證明愛因斯坦是錯的。根據廣義相對論，引力波是一種全新的輻射形式，與以前已知的任何形式都不一樣。
  • 光究竟是否能被引力彎曲?繼牛頓力學後,愛因斯坦為你解答
    ：根據牛頓力學，確實，正因光是無質量的，引力才無法影響它。早在1912年，也是在愛因斯坦於廣義相對論的方程上取得最終突破的三年前，他寫下了一份有關因光的偏折所導致的最重要的現象之一的簡練描述：（幾何意義上的）引力透鏡的存在可能性。
  • 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。
  • 陽光是按照直線還是曲線傳播的呢?為什麼?
    上學的時候繪製光路圖時，我們通常是用一條帶箭頭的直線來表示光傳播的路徑和方向，於是就給了我們一個錯覺，光就是沿直線傳播的。如果不了解引力的話，這樣理解是沒有錯的，但是光其實是按「短程線」來傳播的。光的本質其實是一種處於特定頻段的光子流，這時候我們來思考光的傳播究竟是怎樣？其實光的直線傳播這種說法是建立在均勻介質和同種介質的前提下，所以我們稱為它是光的直線傳播而不是光沿直線傳播，而光如果在兩種均勻介質的接觸面上碰撞是會折射的，這個時候光就不是直線傳播了，這些傳播途徑我們可以用費馬原理來解釋。
  • 引力彎曲光線的那些事兒 | 賢說八道
    光在水面處彎折，那是因為兩邊的空氣和水是兩種不同的物質。不同物質彎折光線的能力由其折射率所表徵。倘若光線經過的空間中折射率連續變化，光線就會被連續彎折，或者說是沿著一條光滑曲線傳播。光線沿直線傳播的觀念，在人類還無意識的時候就已經嵌入到我們的視覺詮釋體系中了。不管光線經過怎樣的波折到達我們的眼底，我們一概按照光沿直線的規律去構造那個可能的光源。
  • 這就是愛因斯坦知道重力必須彎曲光的原因
    當光經過大質量物體附近時會發生什麼？它只是繼續沿著一條直線，沒有偏離它原來的路徑嗎？由於附近物質的重力作用，它會受到力嗎？如果是的話，它所承受的力量有多大？這些問題觸及到重力如何工作的核心。今年，2019年，標誌著廣義相對論被證實100周年。在1919年5月29日的日全食期間，兩個獨立的團隊成功地進行了測量太陽邊緣附近恆星位置的探險。
  • 一束被引力掰彎的光-引力透鏡效應
    人人都知道，光是沿直線傳播的，但是根據愛因斯坦的相對論，光也是可以沿曲線傳播的，並且人們真真切切觀測到了，怎麼回事呢？首先要明白什麼是引力？任何有質量的物體都可以使周圍的時空發生彎曲，從而使周圍的其他物質因為彎曲時空的影響而向他靠近，這就是引力。就像在一塊平直的布上，我們放上一個重物，會造成中間塌陷，於是周圍其他的物體由於這種塌陷彎曲，會向中間靠近。廣袤的宇宙中，巨大質量的恆星，黑洞都能造成時空的彎曲，而經過他們附近的光也不能倖免，傳播路徑也發生了彎曲。
  • 真的是時空彎曲產生引力嗎？
    導讀：真的是時空彎曲引力嗎？這個問題不值得懷疑嗎？我對此持懷疑態度。這是一種迷惑，是一種引力「假象」。所以說愛因斯坦建立了一個對的理論，卻解釋錯了，就是不能用時空彎曲解釋引力的成因！引力在哪裡？你告訴我引力在哪裡？所以不要聽人家說，你也人云亦云。你知道愛因斯坦怎麼寫出這個方程的嗎？了解過廣義相對論的朋友都知道，提出相對論是基於一個簡單的想法，我在前面章節提到過，做過鋪墊。
  • 陽光是按照直線還是曲線傳播，為什麼？
    不過由此可知，所有物體在彎曲空間的運動軌跡的確都是條曲線，包括光子的運動，因為光子也是一種實物粒子。另外，我們知道光的速度是宇宙中最高的運動速度，但再高的速度也是在空間內的運動，不可能跑出空間，光速是以時空作背景的度量（速度等於空間比上時間），光的傳播運動和空間緊密相連，不可分離，因此光的傳播路線就是空間形狀的體現。空間平直則光線直，空間彎曲則光線彎曲。
  • 愛因斯坦的相對論裡中彎曲空間是如何形成的呢
    宇宙是檢驗人類所發現物理定律的最嚴肅的法官 ， 被人們奉為金科玉律的牛頓三定律和愛因斯坦的相對論 ， 目前都被證明是不完整的，都不是無懈可擊的。曲率一一不處處為零的空間稱為彎曲空間。 初等平面幾何所研究的對象是歐幾裡得空間（歐氏空間）。
  • 愛因斯坦是怎麼想到引力只是一種時空幾何效應的?
    中學開始接觸物理的時候，引力一直都作為一種力存在著，人們在生活中也是一直都在感受著引力的影響。隨著網絡的傳播，廣義相對論的科普內容也是鋪天蓋地，愛因斯坦那句「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動」，讓很多人一瞬間迷茫了，引力突然就變成了一種幾何效應，這是大家一時半刻很難接受的。本文就與您探討一下，引力為什麼會是一種幾何效應。
  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    我們都知道是光把信息傳達給我們，就像你現在看著電腦或者手機，是因為眼睛接收到了電腦和手機發出的光。如果宇宙中有一束光沿著直線傳播，就像一輛車在一條筆直的馬路上行駛著。當馬路有彎道時，那麼汽車就需要轉彎，如果我們不知道中間有彎道，認為汽車是走直線回來的，那麼推測汽車起始位置就會出現錯誤。
  • 為何說100年以前的一場全日食證明了愛因斯坦對了而牛頓錯了
    在太陽系中，由行星和太陽吸引造成的空間彎曲，必須被考慮進太空飛行器或者是天文臺會進行的任何觀測中去。從空間探索到GPS信號衛星再到太陽附近經過的光信號，在此應用範圍內，即使是十分微小的事情，廣義相對論的作用都不能被忽略。
  • 為什麼光沒有質量，卻會被黑洞吸引？愛因斯坦：它是自願的
    一、牛頓——萬有引力引力加速度逃逸速度黑洞視界二、愛因斯坦——廣義相對論引力時空彎曲一維到四維時空的螞蟻簡述時空幾何黑洞的曲率光只是走了正確的路線三、光子的質量與光子的宿命及宇宙的終結時空扭曲引力時空彎曲愛因斯坦在1915年發表了《廣義相對論》，他在論中指出，引力並非是力的作用，而是時空彎曲。
  • 時空彎曲產生引力改為引力使時空彎曲,能不能解釋相對論的問題?
    我們自己永遠也無法加速到光的速度；相對於旁觀者而言，我們越接近光速，我們的模樣就越會失真。相對論真正的難點其實不在於數學複雜，而在於它不是憑直覺所能完全搞懂的。回到引力身上引力是什麼，人類從發明出哲學開始，已經思考論證了差不多2000年了。其中能拿到檯面上爭論，可以驗證對錯的，就是牛頓和愛因斯坦的引力之爭。
  • 愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?
    物體之間並沒有真正的相互施加引力，從而導致物體的加速度和動量的變化，而是整個宇宙都存在於一個時空框架中，物質和能量的存在彎曲了時空結構，而彎曲的時空導致物體在運動過程中的路線也發生了改變。但是，這種假象會給愛因斯坦提出了一個非常嚴重的問題：引力方程預測出了一個不穩定的宇宙解！如果有一個大致均勻的、不完美的物質分布，那麼時空就會因為物質的存在發生彎曲。
  • 光子沒有質量為什麼會被黑洞吸引?是愛因斯坦錯了嗎?
    黑洞吸積物質這點很容易理解，根據萬有引力定律，天體之間的引力與它們的質量成正比，與距離的平方成反比，但大家都知道光子的靜止質量為零，那麼請問它為什麼還能被黑洞所吸引？關於引力，牛頓是怎麼說的？愛因斯坦又是怎麼說的？
  • 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
    通過當時最高水平技術得到的觀察結果，他們確定了遠處的星光是否會受到太陽引力影響而產生彎曲，以及彎曲的程度。這個結果震驚了許多人，但愛因斯坦已經知道答案是什麼，具體如下。圖解：一個引力透鏡以及星光因質量而彎曲的例子。在進行定量預測之前，甚至在愛因斯坦提出這個理論之前，他就知道光一定會受質量的影響而彎曲。
  • 為什麼會產生引力?
    引力是自然界中已知存在的四種基本力之一，另外三種分別是主宰電、磁和光的電磁力，以及在原子核中的微小距離內起作用的強、弱核力。在這四種基本力中，引力是最弱的一個。一塊磁鐵很容易把一根針從桌上吸引上來，即使整個地球的質量都在把針往下拉。從牛頓時代開始，我們對引力的認識就一直在進化，直到現在依然如此。
  • 日全食怎樣證明愛因斯坦對了,牛頓錯了?
    一直以來，天文學家觀測到的各種天體運動都在牛頓萬有引力定律的支配之下。甚至，天文學家還通過牛頓的引力理論直接預言了海王星的存在。然而，後來發現的水星近日點進動問題讓天文學家感到不安。當時天文學家的猜測，水星的軌道之內可能還存在一顆行星，其引力作用使水星的近日點進動出現了異常。這就像由於海王星的存在，導致天王星的運動受到引力攝動。然而，無論天文學家怎樣搜尋，都沒能找到水內行星。