光會被加速嗎,比如當光落向黑洞時,會被加速而超過光速嗎?

2020-12-05 星宇飄零

光在古時候被認為是瞬時傳播的,也就是說不需要時間,無論哪裡都能瞬間到達。

但近代物理學之父伽利略·伽利雷對此表示懷疑,他認為光速是一個有限的值。他設計了一個實驗來測量光速的值。方法是在兩個相隔一段距離的山頭,用兩個燈籠作為信號燈,通過遮擋燈籠來傳播信號,根據傳出信號和收到對方返回信號的時間間隔作為光在兩地間傳播所需的時間。但很可惜,實驗失敗了,他什麼都沒測出來。

這其實是顯而易見的,因為光速太快了,比人的動作和反應快多了,伽利略的實驗是註定失敗的。

後來一位丹麥天文學家奧勒·羅默利用伽利略發現的木星的伽利略衛星成功測量出了光速的近似值。

說是近似值,其實差距有點大,他得到的結果是220000km/s,但是已經與現在的300000km/s在一個數量級上了。這一結果證明光速確實是一個有限的值。

但到了19世紀末,美國物理學家阿爾伯特·麥可遜和愛德華·莫雷做了一個用幹涉儀測量光速差值的實驗。這個稱為麥可遜·莫雷實驗最終證明光速是各向不變的。

這表明光速並沒有因地球的運動而改變,這一結果不符合經典的速度疊加。後來愛因斯坦提出了狹義相對論,提出了光速不變原理,認為光速在真空中就是一個恆定值。它並不會疊加光源的運動速度,無論光源跑多快,光速都是一樣一樣的,不會絲毫改變。

但雖然速度不會變,但基於能量守恆,其頻率會發生改變,當光源向觀察者運動,光的會發生藍移,意味著頻率增加。而當光源遠離觀察者運動,光的會發生紅移,意味著頻率降低。這種現象被稱為都卜勒效應。

那麼當光射線黑洞又會怎樣呢?要回答這個問題之前就要先講一下愛因斯坦的廣義相對論了。

在提出狹義相對論後10年,愛因斯坦又提出了劃時代的廣義相對論,該理論用時空彎曲來描述了引力。他指出,宇宙中的物質會使周圍的時空發生彎曲,而這一理論是對狹義相對論的延伸,自然也沿用了狹義相對論的基本原理:光速不變原理。也就是,在廣義相對論的彎曲時空裡,光速也是不變的。

跟所有的科學理論一樣,廣義相對論做出了多個預言,其中的光線由於空間彎曲而偏轉的預言於1919年被日全食觀測所證實,再次讓愛因斯坦聲名大噪。

而廣義相對論有另一個相對應的預言:引力紅移。他指出當光逃離恆星的引力場的過程中,由於損失能量而產生紅移。這一預言於光線偏轉證明的40年後被證明。1959年被科學家首次測量到太陽的氫原子光譜頻率比地球上的氫原子光譜的頻率略低。

既然從引力場出來的光會發生紅移,那麼光進入引力場會如何?答案已經躍然紙上:會藍移。你只要把光的傳播方向轉過去,很容易就能看出來了。

所以問題的答案就是:基於狹義相對論和廣義相對論,光並不會被加速,落向黑洞的光也不會被加速,它不會變快,但下落過程中會發生藍移,頻率會增加,也就相當於能量會增加。

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