光沒有質量，黑洞是怎樣把它吸住的？

在2019年4月10日，發布了人類拍攝到的首張黑洞照片——位於5500萬光年外的橢圓星系M87的中心黑洞。照片中的黑洞雖然略微模糊，但依然看得出與理論計算驚人一致，在類似十級美顏的模糊圖像下，中間的陰影依然清晰可辨，而黑洞就在這個陰影區域裡面。

這張照片表明理論是對的，確實存在光無法逃離的黑洞。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。不過在發表狹義相對論後兩年，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。這公式裡可以看出，當光子的頻率越高，能量也將越高，光子的能量與其頻率成正比例關係。

當把上述的光子能量公式與質能公式合併則得到：E=mc^2=hv，移項後得到公式：m=hv/c^2，這就是光子的質量，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。

什麼？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！

沒有引力，是空間彎了

而愛因斯坦在發表狹義相對論十年後，又提出了一套全新的引力理論——廣義相對論。它用時空彎曲代替了引力，認為引力只是時空彎曲的一種外在表現，引力的本質就是時空因物質的質量而產生的彎曲。行星並非被太陽的引力吸引而繞太陽做圓周運動，而是太陽使周圍空間發生彎曲，行星沿著彎曲的空間做測地線線運動。

因此，根據廣義相對論，光子並不是被大質量天體（如太陽）的引力吸引而導致行進路徑發生彎曲，而是太陽周圍的空間本身因太陽的質量而發生了彎曲，光經過彎曲的空間而導致行進方向發生改變！

兩種引力理論的實驗判決——日全食星光偏移實驗

那麼問題來了，既然兩種理論都能得到光線被彎曲的結果，那我們怎麼知道它們哪個理論才是正確的呢？答案是：它們雖然結論都一樣——光線都會發生彎曲，但結果卻不一樣——光線彎曲的程度不一樣。根據廣義相對論得到的光線彎曲程度比萬有引力理論得到的光線彎曲程度更大。因此，科學家就可以據此進行天文觀測，以得到的觀測數據來判斷這兩個理論哪一個更準確。

由於一般的小質量天體（如行星）相對於光子的運動速度來說，質量都太小了，因為運動速度越快，被同一質量天體在同一距離上偏轉路徑的程度就越低。因此要進行驗證光線彎曲就需要像太陽這樣質量的天體。然而太陽的光線太強烈了，根本無法對從其旁邊經過的光進行觀測。不過科學家很快想到了一個辦法：日全食時進行觀測，由於日全食的時候，太陽光會被月球完全遮擋，導致天空也變得漆黑，這樣，我們就可以測量它周圍的星光了。

在廣義相對論提出後的第四年，即1919年5月29日，科學家就成功觀測了非洲的一次日全食，拍攝到了太陽周圍星空的照片，與此前於同年1月份拍攝的同一天區的照片比對，事實證明，太陽附近的星光確實發生了偏轉，根據照片上星星的位置偏移量，科學家發現與萬有引力理論計算的偏移量產生較大的誤差，實際觀測結果是理論計算結果的兩倍，而與廣義相對論的計算結果則非常吻合，僅有輕微誤差，在正常的誤差範圍內。事實證明，廣義相對論比萬有引力理論更為準確。

外界光子的不歸路——光子球

隨著科技的發展，科學家通過實驗和觀測反覆證明廣義相對論的正確性，到現在，幾乎所有的廣義相對論預言都被證實了，現在唯一沒有被證實並可能永遠無法被證實的預言可能就只剩下奇點了……

因此，現在廣義相對論成為主流的引力理論，科學界普遍接受空間是彎的。那麼既然空間是彎的，黑洞為什麼能困住光就很容易理解了：當光經過黑洞周圍彎曲的空間時，當達到一定的角度——小於光子軌道的切線方向，光就會落入這個彎曲的陷阱裡出不來了。這個光子軌道稱為光子球，是光速繞黑洞旋轉的公轉軌道，大約在黑洞的史瓦西半徑（即黑洞的半徑）1.5倍處。

因此，當外界光子切入光子球圓軌道後就無法逃逸了，而假如進入角度再大一點，就直接掉黑洞裡了。不過這是外界光子的逃逸邊界，如果光子是在光子球內發出的話，比如吸積盤內物質落入黑洞過程中釋放的光子，如果是向外輻射的話，那麼即使在光子球內發出的依然是可以逃逸出來的。所以在光子球內、視界外的光子能不能逃逸不是速度問題，而是方向問題。（是不是感覺有雞湯的味道……）

時空的牢籠——黑洞視界

但當進入黑洞視界以後就沒有任何光子能逃逸了！就算向外輻射也不行嗎？是的，不行了……按照廣義相對論，在外界看來，視界內的時空會發生互換，因此當物質粒子（包括光子）穿過視界以後，就不再是沿空間方向運動，而是沿時間方向運動，史瓦西半徑R變成了時間，由於時間只有一個方向，物質只能沿著時間的一個方向運動，最終落向時間的終點——奇點。

因此，就沒有任何物質粒子（包括光子）能從視界內出來，因為那對於外界來說意味著逆著時間運動，那是不允許的。

問題的答案

光被黑洞吸引不是因為光的質量和黑洞的引力，而是因為黑洞的質量使周圍時空發生了彎曲，外界的光經過彎曲的時空時方向被改變，當改變後的方向最終指向黑洞，光就會沿著彎曲的時空落入黑洞。

而對於視界內發出的光，由於視界內相對於外界時空互換了，光無法逆時向外傳播，因為那意味著它要回到自己的過去……