光沒有質量，為何會被黑洞吸引？

2020-10-18 科學探索菌

學過物理的可能知道，光子沒有靜止質量，按照牛頓的萬有引力定律，光是不可能被黑洞吸引的。那為什麼黑洞可以吸引附近的光呢？

●先來認識光

光是我們認識世界的信使。光是物理學中討論最多的對象之一，從牛頓的微粒說與惠更斯的波動說開始，關於光的本質的爭論持續了上百年。之後，麥克斯韋統一了光和電，證實了光也是電磁波，電磁波也是以光速傳播的。真空中的光速不僅是宇宙中最快的速度，還是物體運動速度的極限。


       
     

 20世紀初愛因斯坦提出了光量子的概念，以此為基礎解釋了光電效應，因此獲得了諾貝爾物理學獎。後來科學家發現，光具有波粒二象性，光既可以看作粒子，又可以看作波。德布羅意發現不僅光具有波粒二象性，電子等微觀粒子也具有波粒二象性，比如光會發生衍射，電子也同樣會發生衍射。從波的角度來看，光就是電磁場的波動。


       
     

上圖為電子衍射照片

進入量子力學的世界後，科學家們發現光子還有一個重要的作用，就是充當電磁力（或電磁相互作用）的媒介粒子，粒子之間通過交換虛光子傳遞電磁相互作用。

●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。

不過光卻擁有能量，光所攜帶的能量的大小與它的頻率有關，頻率越高，光的能量越大。即E=hv，其中h為普朗克常數，v表示光的頻率。此外光的頻率越高，光的粒子性就越顯著。

愛因斯坦從狹義相對論中推導出的質能方程告訴我們：質量和能量是物體同一性質的兩個不同度量方式，能量和質量是高度統一的，有能量的物體便具有質量，有質量的物體也擁有能量。根據質能方程E=mc^2，便可推導出光的質量為hv/c^2，光的這種質量被稱之為動質量或者相對論質量。


       
     

按照相對論的描述，物體的運動速度越快，其所具有的動能也就越大，相應地質量也會越大。不過，只有當物體的運動速度接近於光速時，其質量才會發生明顯的改變，在低速狀態下這種改變可以忽略。正是因為光子的靜止質量為0，光從誕生之時就以光速運動，不需要加速。而當物體有靜止質量時，運動速度達到光速，質量就會變得無窮大，顯然物體的運動速度必然不能達到甚至超越光速。


       
     

上圖為相對論質增效應公式

因為光沒有靜止質量，只有能量，我們經常將光當做純能量物質看待，光就是能量的載體。例如：正電子和負電子發生湮滅反應會百分百轉化為能量，這裡的能量其實就是光，正反電子湮滅後會轉化為光子。太陽會發光發熱，太陽的光和熱就是通過電磁輻射的形式傳到地球上的，也就是光。通常我們所說的光是指可見光，其它頻段的電磁波也可以稱之為光。

綜上所述，我們可以認為光是有動質量的。

●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。一般而言，光在真空中是沿直線傳播的，當光線被黑洞吸引時便會發生偏折。經典力學也能預測到這一現象，但對偏折角的估計卻並不準確。要想精確，就需要採用更完善的理論，相對論力學便是目前認為最完善的理論。

根據相對論的預測，當光線經過太陽附近時，在太陽的引力作用下，光會產生輕微的偏折，計算出的光線偏折角為1.75角秒，而根據牛頓引力理論計算出來的偏折角則為0.87角秒。在20世紀初，由愛丁頓等人領導的科學團隊對此現象進行了多次測量，精確的實驗結果表明：愛因斯坦是對的！


       
     

在相對論中，愛因斯坦拋棄了牛頓的引力觀點，或者說不需要引力這個概念了。愛因斯坦引入了空間彎曲的概念，認為引力的本質實際上是空間彎曲。質量越大的物體，對空間的彎曲程度也就越大。


       
     

 如圖所示，空間彎曲導致的光線偏折現象

通常我們認為光是沿直線傳播的，實際上光是沿空間中的測地線（兩點之間最短距離）傳播的。當空間被彎曲，光也就只能跟著走曲線，於是在我們看來光就被黑洞吸引了。實際上它們之間並不存在力的作用，在此基礎上，光有沒有動質量也就無所謂了。光線被恆星偏折時，偏折角只與恆星的質量有關，與光的動質量無關。

黑洞是一個神秘的天體，因為黑洞表面（視界面）的逃逸速度大於光速，當光闖進黑洞裡面就再也出不來了，因此用傳統天文觀測方法是看不見黑洞的，需要用到引力波。理論猜測，黑洞中心有一個密度無限大、體積無限小的奇點。在人類還沒有發現黑洞之前，科學家就從相對論中推導出了黑洞的存在，黑洞內部的空間被無限彎曲，時空曲率無限大。



如圖所示，黑洞對空間的彎曲程度極大

實際上，任何有質量的物體都能夠使空間彎曲，不過只有像太陽、黑洞這樣的大質量天體才能夠使空間產生較大的彎曲效果，人類才能夠發現光線偏折現象。在我們看來，光被這些強引力源吸引了。


       
     

如圖所示，光掉進了黑洞

●結語

由此可見，不管光有沒有質量，都會被黑洞吸引，因為黑洞周圍的時空彎曲的很厲害，以至於連光也要走曲線。

通過這個問題，讓大家認識到了相對論力學為什麼比經典力學更加完善。傳統的經典力學具有局限性，只適用於低速、弱引力場下的宏觀運動，要想準確描述高速、強引力場下的情況，就需要相對論出馬了。

相關焦點

  • 黑洞吞噬一切,但光沒有質量,為什麼也會被黑洞吸引?
    沒有任何物質可以從黑洞之中逃逸而出，其中也包括宇宙中運動速度最快的光，而這也是黑洞名字的由來，既然進入黑洞的光無法再次出來，所以黑洞的視界內部便成為了一片永遠不可見的區域，對這片區域用「黑」來形容再恰當不過了。然而，這裡有一個令人不解的問題，那就是為什麼光無法從黑洞之內逃逸而出？
  • 黑洞吞噬一切，但光沒有質量，為什麼也會被黑洞吸引？
    沒有任何物質可以從黑洞之中逃逸而出，其中也包括宇宙中運動速度最快的光，而這也是黑洞名字的由來，既然進入黑洞的光無法再次出來，所以黑洞的視界內部便成為了一片永遠不可見的區域，對這片區域用「黑」來形容再恰當不過了。然而，這裡有一個令人不解的問題，那就是為什麼光無法從黑洞之內逃逸而出？極高的質量和密度賦予了黑洞極為強大的引力，但光並不同於其它的物質，它沒有質量。
  • 為什麼光沒有質量，卻會被黑洞吸引？愛因斯坦：它是自願的
    光並非被信息進去的，而是自己大搖大擺走進去的。物體的被黑洞吸引的理論，來源於蘋果落地的故事，這個理論在1900年以前的確可以很好的解釋物體為什麼會落地。牛頓對於這個現象的解釋是力，即F=ma，力的大小與物體的質量和加速度有關，因此大家認為如果光子的質量為0，引力mg=0，光子壓根不受力，那麼為什麼會被黑洞「吸走」？
  • 光子有沒有質量,為何被黑洞吸引?
    光是「自願」走進黑洞的，當它越過黑洞視界，時空的方向都指向黑洞中心，無路可選，只能進入黑洞。下面聊聊到底怎麼回事：牛頓的引力對於引力的認識，很多人是聽說了牛頓與蘋果的故事。蘋果落地是因為地球對它的吸引，這個吸引作用稱之為萬有引力。
  • 光沒有質量,為何還會被黑洞吞噬?相對論給出了答案!
    而根據愛因斯坦的相對論，黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它可以將光吸收進去，而且光一旦進入黑洞將無法逃逸出來。可是眾所周知光是沒有質量的，按理說本不應該被黑洞所吸引，難道愛因斯坦和牛頓他們的說法全都錯了嗎？根據科學家們的解釋，光之所以在進入黑洞後無法逃逸，最主要的一個原因就是黑洞的曲率引力非常的強大，所以光根本就沒有辦法從黑洞的控制中逃脫。
  • 光子有沒有質量,為何被黑洞吸引?愛因斯坦:自己跑進去的
    光是「自願」走進黑洞的，當它越過黑洞視界，時空的方向都指向黑洞中心，無路可選，只能進入黑洞。，意味著質量越大，體積（半徑的立方）越小的星球，越難以逃逸（黑洞：這不就是在說我嘛，任何物質，包括光都不行）。
  • 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。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！
  • 光子沒有質量為什麼會被黑洞吸引？是牛頓錯了嗎？
    銀河系中心就是一個黑洞，2019年4月10日晚公布的是M87（奧特曼故鄉）星系中心也是一個黑洞，兩個黑洞除了距離遠近與大小差異外，本質上並沒有區別，都是吸積了大量的物質後在整個電磁波段散發了大量的輻射！
  • 光子沒有質量為什麼會被黑洞吸引?是愛因斯坦錯了嗎?
    銀河系中心就是一個黑洞，2019年4月10日晚公布的是M87（奧特曼故鄉）星系中心也是一個黑洞，兩個黑洞除了距離遠近與大小差異外，本質上並沒有區別，都是吸積了大量的物質後在整個電磁波段散發了大量的輻射！
  • 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
  • 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。
  • 光子有質量嗎?為什麼會被黑洞吸引?
    光子到底有沒有質量？光子真的沒有質量嗎？事實上，並非如此。我們常常把能量和質量撕裂開來看，但這個觀念並不是很正確。比如：我們常常會說的是，原子彈爆炸，質量轉化為能量。不知道你想過沒有，在很多人眼裡，能量是個東西，但是質量也是個東西嗎？如果把能量看成一個東西，非要一一對應的話，能量好像對應物質更加合適的。說到這裡，你可能會得有點混亂了。是的，其實問題就出在這裡，能量，質量，物質，他們之間到底是什麼關係？之所以搞不清楚，只因為我們沒有把它們定義好，沒有定義也就無法分類。
  • 既然光子沒有質量,為什麼還會被黑洞吸引?
    先說說第一個問題，光子到底有沒有質量，答案是靜止的光子沒有質量，但光子一旦出現，就會一直往前飛，所以靜止的光子是不存在的。那麼當光子運動起來的時候，它就具有能量和動量，所以宇宙中的光子肯定都有質量，有質量就意味著光子會受到引力的作用，所以它被黑洞吸引並不奇怪。
  • 光子沒有質量為什麼會被黑洞吸引?專家一席話讓人心驚
    黑洞，是引力極其強的宇宙天體，沒有什麼可逃脫黑洞的吸積，甚至光（光子）也不行。一顆大恆星的死亡可以形成黑洞。因此，很容易理解為什麼經過的物體被吸入黑洞。
  • 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。
  • 黑洞為何會吞噬光?被黑洞吞噬的物質都去哪裡了?
    按照牛頓經典力學的詮釋，有質量的物體才有引力，而光是沒有質量（靜質量）的，所以黑洞應該不會吞噬光。但事實並非如此，黑洞會吞噬一切靠近的物質，哪怕光也不例外。很明顯牛頓經典力學無法解釋這種現象。第一，愛因斯坦質能方程表明，能量和質量其實是等價的，是一種事物的兩面性，質量就是能量，能量就是質量。而光就是能量，所以也可以理解為光就是質量，有質量的物質就會被黑洞吸引。光具有的是動質量，與一般物體的質量是有區別的。第二，用愛因斯坦的廣義相對論更好理解。
  • 黑洞真的可以吸引光嗎?有關黑洞問題的小科普
    接近黑洞會不會像電影裡面那樣時間變慢按照狹義相對論的解釋，當我們的速度接近光速的時候，我們的時間過的是要比沒有接近光速的人慢的，有的科學家做過的設想是，如果我們可以在地球上進行接近光速的運動那麼只需要一周的時間，我們就可以來到100年後的世界，重力拉伸了時間所以我們越靠近黑洞，我們的時間就會變得越慢。黑洞可以存在多長時間。
  • 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）。
  • 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?
    但有質量才有引力，光沒有質量，黑洞為什麼可以吸住光？　　因此，我們可以看出在黑洞面前光速也只能算作「龜速」，眾所周知，世界上沒有任何東西可以跑得比光還快，但是光都無法離開黑洞的表面，天文學家們也曾斷言幾乎沒有光子能逃脫黑洞的吸引與追捕，任何靠近它的物體都會被吸進去。
  • 光沒有質量，為什麼黑洞可以吸進去？
    從牛頓的萬有引力定律分析來看，黑洞能吸引住光線的理論就是鬼扯，但在1919年英國天文學家愛丁頓爵士卻帶隊驗證了太陽的引力彎曲了光線這一重大的相對論預言，相信大家都知道這個兩個著名的科學小故事，但仍然對引力能吸引光這個理論雲裡霧裡，因為廣義相對論和牛頓萬有引力定律打架了嘛。