既然光子沒有質量,為什麼黑洞對光會有引力?

用戶29389513


在真空中,如果沒有障礙物,那麼光沿直線運動。

而我們的空間會被引力扭曲,從而「直線」也會被扭曲。

直線的定義是兩點之間最短的一條曲線,這個定義在歐幾里得的平直空間中成立,在非歐幾何中也成立。



我們所處的空間,由於會被引力扭曲,所以其實需要用黎曼幾何來描述,而在這個公理體系下,直線是可以看起來「彎曲」的。

有一種常見的不嚴謹的說法,是「光具有動質量」,這個說法非常奇怪,因為在物理學中沒有「動質量」這個說法。當然,我們可以用能量以及質能方程計算出對應的質量,但如果混淆了,就會出一些問題。

當然,計算對應的質量在有些地方是比較方便的。比如從地面射一束激光出去,在高空觀測到的頻率會有偏移,如果用幾何方法算,那就會非常複雜。但如果用質能關係計算,過程就會非常簡潔。


章彥博


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


能量作為量子肯定是有質量的,而且是最真實的存在,有量子自旋產生引力,質能大小決定萬有引力的大小,萬有引力可分重力,磁力,引力,弱力...黑洞全部具有。根據量子相對論,宇宙的誕生前就是能量子,宇宙不可能是一個奇點誕生的,最小時空是AB量子時空,沒有相互運動就沒有時空,宇宙誕生前為能量子時空,可理解為黑洞時空,宇宙誕生後為基本粒子時空,基本粒子為宇宙物質的最基本組成成分,和時空中能量子組成宇宙時空,就是現在的時空。所以說沒有相互運動就沒有時空,只有量子,一切都是空,只有假象,只有人類意識的虛擬現實。&總之黑洞就是能量,和宇宙物質質能交換,週而復始,就是太極圖的演變過程,大圈可看成一個宇宙,裡面黑半圈可看成黑洞,白半圈可看成星球物質和時空量子,無數個太極組成全部宇宙演變。


天南海北2016


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


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


說光子沒有質量並不完全準確,光子確實沒有靜質量,說白了就是光“一生下來”就是光速飛行,沒有加速過程。

不過光具有“動質量”。可以這麼理解,我們平時所說的光子其實是“光量子”的簡稱,而量子本身屬於一種能量,根據愛因斯坦的質能方程,能量與質量是同一種東西,所以光子運動中產生的能量也相當於有了質量(動質量)!

這樣就比較容易理解黑洞為何會對光子產生引力了!

事實上換一種方式更好理解。根據愛因斯坦的廣義相對論,我們所處的時空並不是平直的,而是彎曲的,而黑洞可以把時空結構拉伸到極致,光子只是沿著被彎曲的空間結構在飛行,而由於黑洞對空間的極度拉伸,所以如果光子距離黑洞太近,就會被黑洞吞噬!

而空間的彎曲又是引力產生的本質,所以看起來廣義就是被黑洞強大的引力吸引!事實上不僅僅是光子,任何靠近黑洞的物體,包括能量和信息也都難逃被黑洞吞噬的噩運!


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