既然光子没有质量,为什么黑洞对光会有引力?

用户29389513


这是个非常有价值的问题。这个问题需要重点讨论两个问题:一个是光的本质问题,另一个就是黑洞影响光线传播的问题。

首先关于光的本质,目前我们认为的是光具有波粒二象性,也就是说光既是波,又是粒子。这两者并不冲突。说到这儿就要讲到一个看似不是很出名实则个人十分钦佩的物理学家——德布罗意。作为一个因为兴趣爱好而半路出家的物理爱好者,却发现了物质具有波动性,从而统一了物质和场,成为了波动力学的创始人。德布罗意的发现,将物质和波统一到了一起,也就是说光既是一种粒子,又是一种波。单个光子出现的位置有一定的偶然性,但一旦粒子数目多了,就会服从一定的统计规律了。那说到这儿,就得讨论光究竟有没有质量这个问题了,因为这直接关系到下一个问题的讨论。


目前的主流观点认为光子没有质量,一旦一个粒子有哪怕一丁点儿质量,它的速度都不会达到光速,因为在无限接近光速的时候,其质量也变得无限大,如果再加速就需要无穷的能量。因此只有没有质量的光子才可以达到宇宙的最高速度——光速。但光子携带能量,根据光子携带的能量有公式可以计算光子的质量,携带的能量越大其质量也就越大。因此,我们说光子没有静质量,只有动质量,我们也不可以把一个光子囚禁让其静止,光子必须时刻保持光速运动。

那黑洞是怎样影响光线传播的呢?难道是因为光子有质量而将光子主动拉进黑洞里去了吗?个人认为应该不是这样的。根据相对论的说法,引力实际上是时空弯曲的表现,也就是说大质量的物体其周围的空间本身就不平坦,而光线总是沿着它认为的最短距离前进。这样,在空间弯曲后光线也就弯曲了。当空间弯曲程度很大的时候,光线前进的最短距离就是黑洞内部了,因此光线就逃脱不了黑洞了。



最后说点自己脑子也没有转过弯来的题外话。这个根据高中物理公式很轻松得出来的结论到底有什么问题?自己觉得不对劲但想不出问题出在哪。公式如下:mv²÷r=GMm÷r²,这其中的m,也就是环绕物体的质量是可以约掉的。也就是说和环绕物体质量没有关系。这个可以作为这个问题的解释吗?是不是强引力、微观、高速状态不适用?似乎有些不对。恳求各位大神帮忙解惑,不胜感激。


张家小智儿


牛顿曾主张光是一种微粒,而荷兰科学家惠更斯等则认为光是一种波动。两种对立意见,到麦克斯韦发现光是电磁波(位移电流)之后,波动说似乎完全占据上风、取得了最后的胜利。但相对论和量子理论又将此问题重新复活,最后的折中方案,就是将其并列起来,成为一个波粒二象性的基本原理。

但无论如何,大家都公认光本身其实就是一种能量的存在方式(所谓光和热即此意)。那么根据爱因斯坦质能关系E=mc²,有能量的光子也应该具有质量:m=E/c²,光具有压力的实验就证明了这一点。这个质量虽然是动态的(光无法静止下来),也是一种惯性质量,根据爱因斯坦相对论的等效原理(加速系统等同于一个引力场),惯性质量实际上也等于是引力质量。那么,具有引力质量的光子,即便是按照牛顿万有引力定律,必然会受到其他具有质量物质的引力作用。按照相对论,大质量周围的时空形成弯曲结构,光在其中的传播路径,将会与没有引力场存在的情形有所不同,相对于受到了一定的作用。

黑洞本身不发光,但通过自身的引力对周围的物质产生作用,形成能量吸积盘而发射出强烈的光和热。

另外,无论哪种黑洞,其最基本的物理性质,就是具有质量(至少有三个太阳质量),并在周围形成引力场。当光或任何物质经过其周围时,如果不落入到史瓦兹半径内、或视界之内的话,必然会受到引力作用。如果不幸落入了视界之内,则其最后的命运,按照现在的物理学还无从得知。

简单的说,光是有质量的,不过是动态质量而已。并且,这个质量既是惯性的也是引力性的,所以必然会受到引力场的作用。而黑洞周围一定存在着引力场,因而包括光在内的各种物质受到其巨大的作用应该并不奇怪。

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国科大王大明



我们首先来看一下光子,按照物理学中的定义而言的话,光子是没有静止能量的,然而我们知道光子是以恒定的速度光速传播的,所以这就意味着光是具有一定的运动能量的。然而光子是如何来传播的呢,这就涉及到光的波动性了,其实光子可以看做是某种特定波长波包的运动,所以给定的波长就决定了光子所携带的能量。根据爱因斯坦著名的能量质量等价方程,我们就可以计算出光子能量所对应的质量。因为这个质量的存在,所以黑洞就可以对光子产生引力作用。


其实对于黑洞也是非常类似,很大可能存在着转动质量。我们知道,宇宙间的天体通常都是存在着转动的,黑洞通常也不例外,因为转动,所以我们所测量的黑洞质量中,其实有一部分就是转动所产生的,这个转动的能量就存在于黑洞的视界面之外,可以通过特定的方式将他们提取出去。然而在通常的情况下,这个转动质量和黑洞本来的质量是不可区分的,在引力方面的效应是等价的。


黑洞来客


光子虽然没有静止质量,但是光子本身是有能量的,因此,光子仍然有可能会受到引力的作用。这个问题的关键在于我们不能还用万有引力定律来讨论相关的问题(做一些简单的估计还是可以的),更不能直接将静止质量0就代入到万有引力的公式里来估算这个引力的大小。

在广义相对论中,引力是时空扭曲的一种体现。在这种视角下,天体的运动应该解释为,在一个弯曲的时空中,物体的运动受到了影响。在弯曲的时空中,不但一般物体的运动会受到影响,光线也会不再沿着直线传播,这在爱因斯坦的理论提出后不久就得到了验证,1919 年 11 月,英国皇家学会和皇家天文学会举行联合会议,正式宣布了英国天文学家爱丁顿(Sir Arthur Stanley Eddington)所率领的赴非洲和南美的观测队的最终结果及结论,爱丁顿的两个观测队通过在日食期间观测光线在太阳附近的弯曲,证明了广义相对论的正确性。

在引力场的作用下,光会去往时间流逝最慢的地方,光线因而并不是沿着直线传播,而是沿着在弯曲时空中的「测地线」进行传播,这种效果可以等价地认为是光子受到了引力的作用。


傅渥成


看了高赞的答案,感觉墨迹的很!

引力在是经典力学里的概念,既然你觉得光可以被引力作用,那么这个引力就被理解为真实存在的力了,这个概念出自牛顿的经典力学。

光没有质量又能被黑洞困住,经典力学显然不够用了。就说明经典力学不能解释黑洞现象,需要新的更加准确的理论,来解释宇宙现象。

这个时候,相对论明显更能解释这个现象。

相对论说,引力不是真实存在的力,是空间势能的释放,时间空间,都可以被大质量物体影响,具体的可以用一个球和一块布来解释。

所以,不是引力与光发生了什么,是质量影响了时空,时空里的一切,都逃不过,包括光。



大吼好几声


首先,引力不是力!而是空间弯曲后改变物体自然运动的一种等效描述,天体的运动总是负荷牛顿第一定律的。但是空间弯曲了,直线就弯曲了,这就好比一支蚂蚁沿着纸面直线爬行,它走的确实是直线,但是这张纸却弯曲成了一个圆柱,那么蚂蚁的路线就变成有限但无界,从而它永远也无法走出圆柱之外。光就是那只蚂蚁,它没有改变直线传播的特性,只是黑洞把空间给弯曲成了封闭体,光出不来了。因此我们发现那里没有光,什么都没有,但是我们会发现那里有巨大的空间弯曲,以至于让很多恒星围绕着一个什么都没有的地方转圈。

牛顿力学中的引力在广义相对论中是不存在的,引力是空间弯曲后的等效描述。


山巅云边


这个是理解不同导致的差异,牛顿的经典力学认为,万事万物之间都存在相吸的力量,这个力量叫做万有引力,但是牛顿到临终前也没有搞明白这种力的本质是什么。

后来根据爱因斯坦的广义相对论,我们所处的时空并不是真的空的。实际上我们所处的时空是充满了物质的,我个人更偏向于我们的时空其实是类似于果冻一样的,2016年6月,人类首次观测到引力波,就证明了时空真的不是空的,而是有物质存在的,只是我们看不到也摸不着。

我们都知道光没有静质量,理论上不会受到万有引力的影响。但是爱因斯坦认为,质量足够大的物体,会导致时空扭曲,我们观测到引力波的原因就是,两个黑洞合并,质量有了变化,震荡了时空,引力波沿着时空传播到达地球。

那么题主的问题就可以解答了,光沿着时空传播,但是到了某一处质量巨大且时空被扭曲的地方,光的传播路径也会随时空的变化而变化,根据光的路径。比如中子星周围的可以让光呈现出抛物线。而黑洞的质量太大,时空扭曲很严重,以至于光的路径被扭曲成直接指向黑洞表面,所以看起来就像光被黑洞吸引了一样,时空被扭矩的如此厉害,以至于光没有了逃逸的时空路径,所以黑洞就看不见了。

加一句,这些都是根据广义相对论的推测,没有事实观测,也可以在回答区发布你所持的观点,如果你喜欢这个答案,不妨点个关注,有更多有趣的问答。


sdoac


人类想要把一个有质量的物体加速到光速 目前是不可能的 我们消耗巨大的能量 只能无限接近光速。但另一面 我们点亮蜡烛 开灯 可以轻易的产生光 消耗忽略不计的能量 就能产生宇宙第一速度 就像上帝一样说:要有光于是就有了光。

让我们设想一个场景 点亮一支蜡烛 立刻光线以蜡烛为中心向四周辐射 随着能量的衰减 光线逐步变暗 直到视界的边缘 光消失了。那么问题来了:1 光子是怎么产生的 2 是什么导致光能量迅速的衰减 3 随着能量的衰减 为什么顽固的坚持速度不变 要知道不变就像永恒一样难 4 在视界的边缘 光子失去能量后 它泯灭了吗

先说第4个问题 如果光子失去能量后就泯灭了 那么就回到了第一个问题 如此无限的消耗下 新的光子如何做到随时随地的产生。如果没有泯灭呢 我们做一假设猜想 光子失去能量后将成为一种中性的介质后面简称光介质。如果想要随时能产生光 那么我们必然生处一片光介质的海洋中。那么问题来了:光速到底是光子从A点到B点的移动速度 还是光能量从光介质A传递到光介质B的传递速度。也就是说再微弱的能量 在这个宇宙中能量的传递速度是恒定的。这也可以解释 为什么我们在一辆光速行驶的列车上 观测到的光速是不变的。因为任何一点上 观测到的都是能量传递的速度。

现在猜想一下光介质的海洋可能以什么结构存在 假设光介质是像蜂巢一样的正六面体 任何一个光介质都同时与6个一样的光介质相临 当从一面获得传递来的光能量 立刻均匀的传递给其他五个面的光介质。这样任何一个点上的光 能够到达宇宙中的任何一个点。这也可以解释 为什么地球上能观测到数百亿光年外的光 但仅能观测到一次的原因。当然前提是光能量要足够强 没有衰减到我们观测不到的程度。

如果说光能量在这片介质海洋或者介质维度中速度是恒定的 那么其他的能量形式呢 比如声波 是同一介质维度下不同的传递形式呢 还是通过不同的介质传播。如果说不同的能量是通过不同的介质 那么这个世界就太复杂了 也就是说 任意一点上可能重合着多重维度 每多一重维度 这个点上所能承载的物质 能量将成指数级增长 也许宇宙大爆炸的奇点就是承载着无限的维度。

至于黑洞连光都不能逃逸 也许是因为黑洞周围的光介质的维度被撕裂了。没有介质 传递不了光。

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给弟呵呵


光没有实体质量而是能量:传播类似牛顿摆,在纯净的真空中,光源发出后没有前进半步,一路与暗物质发生了能量交换,就像牛顿摆中第一个静止钢球,沿路的暗物质之间发生能量传递,直到接触普通物质才呈现出来,相当于牛顿摆的最后的摆球。光的波动性是在沿路传递过程体现,是纵波;粒子性是到达目的地才呈现出来,与普通物质发生能量交换。暗物质传递的过程限制了光的速度。

引力是时空弯曲而成。时空弯曲即暗物质的浓度分布不均匀,浓度高的区域光发生了偏折,呈引力表现。

所有普通物质与暗物质都有互相转换。表现为物质和能量的互换;转换附近空间的暗物质都有浓度分布差异,越靠近普通物质的暗物质浓度越高,浓度高的向浓度低的扩散趋势,物质就有了万有引力。普通物质与暗物质的互换速度要慢得多,因此物体运动速度比光速要慢得多。

黑洞是致密的普通物质,附近的时空弯曲更甚,光的偏折更甚,表现出来被黑洞吸收了。


无锡同源


根据相对论,其实并没有引力。经典物理所说的引力,只是大质量物体引起的时空扭曲,和周围空间中物体的质量并无关系。简单的说,黑洞周围的时空发生了变化,就像一个漩涡,周围经过物体的路径都指向黑洞,连光也不能幸免,这和光有没有质量没有关系,只是它的运动路径改变了。个人感觉,引力并不是一种力的一个例证就是:在折算各个星体表面的引力时,为什么不考虑星体自转产生的离心力?比如地球和月球,自转速度和半径都不同的,而计算他们的重力时,仅仅考虑星体质量的不同,而忽略表面离心力的不同,而且确实得到了验证?


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