既然光子沒有質量,爲什麼黑洞對光會有引力?

用戶29389513


這是個非常有價值的問題。這個問題需要重點討論兩個問題:一個是光的本質問題,另一個就是黑洞影響光線傳播的問題。

首先關於光的本質,目前我們認為的是光具有波粒二象性,也就是說光既是波,又是粒子。這兩者並不衝突。說到這兒就要講到一個看似不是很出名實則個人十分欽佩的物理學家——德布羅意。作為一個因為興趣愛好而半路出家的物理愛好者,卻發現了物質具有波動性,從而統一了物質和場,成為了波動力學的創始人。德布羅意的發現,將物質和波統一到了一起,也就是說光既是一種粒子,又是一種波。單個光子出現的位置有一定的偶然性,但一旦粒子數目多了,就會服從一定的統計規律了。那說到這兒,就得討論光究竟有沒有質量這個問題了,因為這直接關係到下一個問題的討論。


目前的主流觀點認為光子沒有質量,一旦一個粒子有哪怕一丁點兒質量,它的速度都不會達到光速,因為在無限接近光速的時候,其質量也變得無限大,如果再加速就需要無窮的能量。因此只有沒有質量的光子才可以達到宇宙的最高速度——光速。但光子攜帶能量,根據光子攜帶的能量有公式可以計算光子的質量,攜帶的能量越大其質量也就越大。因此,我們說光子沒有靜質量,只有動質量,我們也不可以把一個光子囚禁讓其靜止,光子必須時刻保持光速運動。

那黑洞是怎樣影響光線傳播的呢?難道是因為光子有質量而將光子主動拉進黑洞裡去了嗎?個人認為應該不是這樣的。根據相對論的說法,引力實際上是時空彎曲的表現,也就是說大質量的物體其周圍的空間本身就不平坦,而光線總是沿著它認為的最短距離前進。這樣,在空間彎曲後光線也就彎曲了。當空間彎曲程度很大的時候,光線前進的最短距離就是黑洞內部了,因此光線就逃脫不了黑洞了。



最後說點自己腦子也沒有轉過彎來的題外話。這個根據高中物理公式很輕鬆得出來的結論到底有什麼問題?自己覺得不對勁但想不出問題出在哪。公式如下:mv²÷r=GMm÷r²,這其中的m,也就是環繞物體的質量是可以約掉的。也就是說和環繞物體質量沒有關係。這個可以作為這個問題的解釋嗎?是不是強引力、微觀、高速狀態不適用?似乎有些不對。懇求各位大神幫忙解惑,不勝感激。


張家小智兒


牛頓曾主張光是一種微粒,而荷蘭科學家惠更斯等則認為光是一種波動。兩種對立意見,到麥克斯韋發現光是電磁波(位移電流)之後,波動說似乎完全佔據上風、取得了最後的勝利。但相對論和量子理論又將此問題重新復活,最後的折中方案,就是將其並列起來,成為一個波粒二象性的基本原理。

但無論如何,大家都公認光本身其實就是一種能量的存在方式(所謂光和熱即此意)。那麼根據愛因斯坦質能關係E=mc²,有能量的光子也應該具有質量:m=E/c²,光具有壓力的實驗就證明了這一點。這個質量雖然是動態的(光無法靜止下來),也是一種慣性質量,根據愛因斯坦相對論的等效原理(加速系統等同於一個引力場),慣性質量實際上也等於是引力質量。那麼,具有引力質量的光子,即便是按照牛頓萬有引力定律,必然會受到其他具有質量物質的引力作用。按照相對論,大質量周圍的時空形成彎曲結構,光在其中的傳播路徑,將會與沒有引力場存在的情形有所不同,相對於受到了一定的作用。

黑洞本身不發光,但通過自身的引力對周圍的物質產生作用,形成能量吸積盤而發射出強烈的光和熱。

另外,無論哪種黑洞,其最基本的物理性質,就是具有質量(至少有三個太陽質量),並在周圍形成引力場。當光或任何物質經過其周圍時,如果不落入到史瓦茲半徑內、或視界之內的話,必然會受到引力作用。如果不幸落入了視界之內,則其最後的命運,按照現在的物理學還無從得知。

簡單的說,光是有質量的,不過是動態質量而已。並且,這個質量既是慣性的也是引力性的,所以必然會受到引力場的作用。而黑洞周圍一定存在著引力場,因而包括光在內的各種物質受到其巨大的作用應該並不奇怪。

一家之言,歡迎拍磚!


國科大王大明



我們首先來看一下光子,按照物理學中的定義而言的話,光子是沒有靜止能量的,然而我們知道光子是以恆定的速度光速傳播的,所以這就意味著光是具有一定的運動能量的。然而光子是如何來傳播的呢,這就涉及到光的波動性了,其實光子可以看做是某種特定波長波包的運動,所以給定的波長就決定了光子所攜帶的能量。根據愛因斯坦著名的能量質量等價方程,我們就可以計算出光子能量所對應的質量。因為這個質量的存在,所以黑洞就可以對光子產生引力作用。


其實對於黑洞也是非常類似,很大可能存在著轉動質量。我們知道,宇宙間的天體通常都是存在著轉動的,黑洞通常也不例外,因為轉動,所以我們所測量的黑洞質量中,其實有一部分就是轉動所產生的,這個轉動的能量就存在於黑洞的視界面之外,可以通過特定的方式將他們提取出去。然而在通常的情況下,這個轉動質量和黑洞本來的質量是不可區分的,在引力方面的效應是等價的。


黑洞來客


光子雖然沒有靜止質量,但是光子本身是有能量的,因此,光子仍然有可能會受到引力的作用。這個問題的關鍵在於我們不能還用萬有引力定律來討論相關的問題(做一些簡單的估計還是可以的),更不能直接將靜止質量0就代入到萬有引力的公式裡來估算這個引力的大小。

在廣義相對論中,引力是時空扭曲的一種體現。在這種視角下,天體的運動應該解釋為,在一個彎曲的時空中,物體的運動受到了影響。在彎曲的時空中,不但一般物體的運動會受到影響,光線也會不再沿著直線傳播,這在愛因斯坦的理論提出後不久就得到了驗證,1919 年 11 月,英國皇家學會和皇家天文學會舉行聯合會議,正式宣佈了英國天文學家愛丁頓(Sir Arthur Stanley Eddington)所率領的赴非洲和南美的觀測隊的最終結果及結論,愛丁頓的兩個觀測隊通過在日食期間觀測光線在太陽附近的彎曲,證明了廣義相對論的正確性。

在引力場的作用下,光會去往時間流逝最慢的地方,光線因而並不是沿著直線傳播,而是沿著在彎曲時空中的「測地線」進行傳播,這種效果可以等價地認為是光子受到了引力的作用。


傅渥成


看了高讚的答案,感覺墨跡的很!

引力在是經典力學裡的概念,既然你覺得光可以被引力作用,那麼這個引力就被理解為真實存在的力了,這個概念出自牛頓的經典力學。

光沒有質量又能被黑洞困住,經典力學顯然不夠用了。就說明經典力學不能解釋黑洞現象,需要新的更加準確的理論,來解釋宇宙現象。

這個時候,相對論明顯更能解釋這個現象。

相對論說,引力不是真實存在的力,是空間勢能的釋放,時間空間,都可以被大質量物體影響,具體的可以用一個球和一塊布來解釋。

所以,不是引力與光發生了什麼,是質量影響了時空,時空裡的一切,都逃不過,包括光。



大吼好幾聲


首先,引力不是力!而是空間彎曲後改變物體自然運動的一種等效描述,天體的運動總是負荷牛頓第一定律的。但是空間彎曲了,直線就彎曲了,這就好比一支螞蟻沿著紙面直線爬行,它走的確實是直線,但是這張紙卻彎曲成了一個圓柱,那麼螞蟻的路線就變成有限但無界,從而它永遠也無法走出圓柱之外。光就是那隻螞蟻,它沒有改變直線傳播的特性,只是黑洞把空間給彎曲成了封閉體,光出不來了。因此我們發現那裡沒有光,什麼都沒有,但是我們會發現那裡有巨大的空間彎曲,以至於讓很多恆星圍繞著一個什麼都沒有的地方轉圈。

牛頓力學中的引力在廣義相對論中是不存在的,引力是空間彎曲後的等效描述。


山巔雲邊


這個是理解不同導致的差異,牛頓的經典力學認為,萬事萬物之間都存在相吸的力量,這個力量叫做萬有引力,但是牛頓到臨終前也沒有搞明白這種力的本質是什麼。

後來根據愛因斯坦的廣義相對論,我們所處的時空並不是真的空的。實際上我們所處的時空是充滿了物質的,我個人更偏向於我們的時空其實是類似於果凍一樣的,2016年6月,人類首次觀測到引力波,就證明了時空真的不是空的,而是有物質存在的,只是我們看不到也摸不著。

我們都知道光沒有靜質量,理論上不會受到萬有引力的影響。但是愛因斯坦認為,質量足夠大的物體,會導致時空扭曲,我們觀測到引力波的原因就是,兩個黑洞合併,質量有了變化,震盪了時空,引力波沿著時空傳播到達地球。

那麼題主的問題就可以解答了,光沿著時空傳播,但是到了某一處質量巨大且時空被扭曲的地方,光的傳播路徑也會隨時空的變化而變化,根據光的路徑。比如中子星周圍的可以讓光呈現出拋物線。而黑洞的質量太大,時空扭曲很嚴重,以至於光的路徑被扭曲成直接指向黑洞表面,所以看起來就像光被黑洞吸引了一樣,時空被扭矩的如此厲害,以至於光沒有了逃逸的時空路徑,所以黑洞就看不見了。

加一句,這些都是根據廣義相對論的推測,沒有事實觀測,也可以在回答區發佈你所持的觀點,如果你喜歡這個答案,不妨點個關注,有更多有趣的問答。


sdoac


人類想要把一個有質量的物體加速到光速 目前是不可能的 我們消耗巨大的能量 只能無限接近光速。但另一面 我們點亮蠟燭 開燈 可以輕易的產生光 消耗忽略不計的能量 就能產生宇宙第一速度 就像上帝一樣說:要有光於是就有了光。

讓我們設想一個場景 點亮一支蠟燭 立刻光線以蠟燭為中心向四周輻射 隨著能量的衰減 光線逐步變暗 直到視界的邊緣 光消失了。那麼問題來了:1 光子是怎麼產生的 2 是什麼導致光能量迅速的衰減 3 隨著能量的衰減 為什麼頑固的堅持速度不變 要知道不變就像永恆一樣難 4 在視界的邊緣 光子失去能量後 它泯滅了嗎

先說第4個問題 如果光子失去能量後就泯滅了 那麼就回到了第一個問題 如此無限的消耗下 新的光子如何做到隨時隨地的產生。如果沒有泯滅呢 我們做一假設猜想 光子失去能量後將成為一種中性的介質後面簡稱光介質。如果想要隨時能產生光 那麼我們必然生處一片光介質的海洋中。那麼問題來了:光速到底是光子從A點到B點的移動速度 還是光能量從光介質A傳遞到光介質B的傳遞速度。也就是說再微弱的能量 在這個宇宙中能量的傳遞速度是恆定的。這也可以解釋 為什麼我們在一輛光速行駛的列車上 觀測到的光速是不變的。因為任何一點上 觀測到的都是能量傳遞的速度。

現在猜想一下光介質的海洋可能以什麼結構存在 假設光介質是像蜂巢一樣的正六面體 任何一個光介質都同時與6個一樣的光介質相臨 當從一面獲得傳遞來的光能量 立刻均勻的傳遞給其他五個面的光介質。這樣任何一個點上的光 能夠到達宇宙中的任何一個點。這也可以解釋 為什麼地球上能觀測到數百億光年外的光 但僅能觀測到一次的原因。當然前提是光能量要足夠強 沒有衰減到我們觀測不到的程度。

如果說光能量在這片介質海洋或者介質維度中速度是恆定的 那麼其他的能量形式呢 比如聲波 是同一介質維度下不同的傳遞形式呢 還是通過不同的介質傳播。如果說不同的能量是通過不同的介質 那麼這個世界就太複雜了 也就是說 任意一點上可能重合著多重維度 每多一重維度 這個點上所能承載的物質 能量將成指數級增長 也許宇宙大爆炸的奇點就是承載著無限的維度。

至於黑洞連光都不能逃逸 也許是因為黑洞周圍的光介質的維度被撕裂了。沒有介質 傳遞不了光。

以上是我個人的一家之言 完全獨創 歡迎拍磚!


給弟呵呵


光沒有實體質量而是能量:傳播類似牛頓擺,在純淨的真空中,光源發出後沒有前進半步,一路與暗物質發生了能量交換,就像牛頓擺中第一個靜止鋼球,沿路的暗物質之間發生能量傳遞,直到接觸普通物質才呈現出來,相當於牛頓擺的最後的擺球。光的波動性是在沿路傳遞過程體現,是縱波;粒子性是到達目的地才呈現出來,與普通物質發生能量交換。暗物質傳遞的過程限制了光的速度。

引力是時空彎曲而成。時空彎曲即暗物質的濃度分佈不均勻,濃度高的區域光發生了偏折,呈引力表現。

所有普通物質與暗物質都有互相轉換。表現為物質和能量的互換;轉換附近空間的暗物質都有濃度分佈差異,越靠近普通物質的暗物質濃度越高,濃度高的向濃度低的擴散趨勢,物質就有了萬有引力。普通物質與暗物質的互換速度要慢得多,因此物體運動速度比光速要慢得多。

黑洞是緻密的普通物質,附近的時空彎曲更甚,光的偏折更甚,表現出來被黑洞吸收了。


無錫同源


根據相對論,其實並沒有引力。經典物理所說的引力,只是大質量物體引起的時空扭曲,和周圍空間中物體的質量並無關係。簡單的說,黑洞周圍的時空發生了變化,就像一個漩渦,周圍經過物體的路徑都指向黑洞,連光也不能倖免,這和光有沒有質量沒有關係,只是它的運動路徑改變了。個人感覺,引力並不是一種力的一個例證就是:在折算各個星體表面的引力時,為什麼不考慮星體自轉產生的離心力?比如地球和月球,自轉速度和半徑都不同的,而計算他們的重力時,僅僅考慮星體質量的不同,而忽略表面離心力的不同,而且確實得到了驗證?


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