黑洞是一個質量很大的天體，在其事件視界範圍內可以吸收所有的光，在其事件視界範圍外的一定距離之內也可對光的路徑造成影響。我們知道，光沒有質量，根據牛頓的萬有引力定律，黑洞和光之間的似乎並不存在引力，那麼黑洞到底是如何吸引光的呢？這篇文章帶大傢俱體瞭解一下。

令人望而生畏的黑洞

光的本質是什麼？

首先，我們從光到底是什麼出發。最早，意大利的格里馬弟讓一束光穿過兩個小孔並投影到暗室屏幕上，結果在發現在投影屏幕上有明暗相間的條紋，這種條紋很類似與水波的衍射條紋，因此，格里馬弟認為光的本質是波，光的顏色不同是由於光的頻率不同導致的。英國物理學家胡克算是格里馬弟的追隨者，因為他用肥皂泡和薄雲母重複了格里馬第的實驗，堅持了光是一種波的說法。

光的衍射實驗

1666年，當時還未成名的牛頓回到鄉下躲避瘟疫，在這期間，牛頓開始對光產生了濃厚的興趣，他拿著一個三稜鏡做起了實驗，實驗的過程很簡單，設備也很簡單，就是一個三稜鏡和可以發出白色光束的設備（可能是門縫裡射進的太陽光）。牛頓讓一束白光從三稜鏡的一邊射入，之後他驚奇的發現穿過三稜鏡的光變成了五顏六色的光束。自此，牛頓認為光是一種微粒，光的分解和合成就是不同顏色的微粒分開和混合的結果。

牛頓的光的色散實驗

牛頓和胡克生活在英國的同一時期，胡克算是牛頓的前輩，早期胡克在英國乃至歐洲的科學地位要高於牛頓，後來隨著牛頓的崛起（主要是隨著牛頓經典力學系統的提出），胡克受到了牛頓的打壓，胡克的地位慢慢下降，他們各自支持的波動說和微粒說也是伴著各自的地位而變動。此後的數百年，牛頓的地位絲毫不見下降，在這期間，牛頓支持的微粒說始終佔據上風。

胡克——紀念一下死後沒有畫像的科學家

光的波動說與微粒說始終在互相對峙之中，直到到20世紀初期，愛因斯坦的出現才一錘定音。1905年，愛因斯坦發表了一篇名為《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》，這篇論文揭示了光是由離散的能量量子（光量子）組成，愛因斯坦其實是肯定了普朗克早先的能量離散變化性，光具有波粒二象性，並首先同步拓展到微觀世界基本粒子的波粒二象性，比如電子。

1905年愛因斯坦的成果展

光有質量嗎？

瞭解了光的本質之後，對於光是否有質量就尤為重要，起初人們認為光既然是一種微粒，那麼光肯定具有質量，但是光自誕生之時起，到被物質吸收，始終處在運動當中，雖然看得見卻摸不著。這也導致了無法直接測得光的具體質量是多少。

光子

後來，人們逐漸認識到光子的質量為零，為什麼光子的質量為0呢？科學家到現在還沒有很好的實驗方法來證明光子的質量是0。但是，如果光子質量不為0，真空光速將不再是常數，量子電動力學（QED）將不是規範不變的，電荷守恆也無法自動保證，除此之外，經典電動力學的扛鼎之作麥克斯韋方程組也就受到影響。因此，如果僅僅一條光子質量為零的假設，就能使得一個理論和如此多正確性相當可靠的事實相兼容，那麼認可光子質量為零是最自然的選擇。

1905年，愛因斯坦發表狹義相對論指出了慣性系下物體的運動規律，他用認為時間並不是絕對的，且時間和空間是一個整體；除此之外，狹義相對論還給出了物體能量與質量的關係。對於單一的光子來說，因為光子一直在運動中的，所以光子是一直具有動量的，加之光子是一種能量子，我們可以求出光子具有的一種質量，物理學上稱之為光子的動質量。

愛因斯坦

這裡簡單描述如何求得光子的動質量，假設有已知頻率的一個光子，它的能量是E=hv（v為頻率，h為普朗克常數），同時我們還知道質量和能量是同價的，也就是利用質能方程E=mc²。你可以先根據第一個公式把光子的能量算出來，然後再把得出來的能量值代入質能方程中，得出光子的動質量m。

光子的動質量

運用萬有引力定律解釋光的偏折問題

1687年，牛頓發表了他一生之中最為成功的鉅著《自然哲學數學原理》，在這本著作中牛頓闡述了萬有引力定律，定律指出，兩個質點彼此之間相互吸引的作用力，是與它們的質量乘積成正比，並與它們之間的距離成平方反比。

萬有引力定律

根據萬有引力定律，兩個物體之間必須有質量才能產生引力的作用，我們已經知道光並沒有靜質量。因此，前文已經說到通過光的靜質量無法求得黑洞對光的引力，但是光具有動質量，所以可以運用光的動質量以及萬有引力定律計算黑洞的引力大小。

這裡需要注意的是雖然整個計算過程中並沒有光的質量參數的參與，但是運用牛頓萬有引力定律的前提是默認光是有質量的，也就是說只有光有質量這樣的計算才能夠成立。

光線偏轉角度問題

是否存在更準確的理論來解釋黑洞吸引光呢？

1915年，愛因斯坦發表了他一生之中最偉大的理論—廣義相對論，廣義相對論主要對引力的本質做出了新的詮釋，愛因斯坦認為只要有質量的物體都會引起時空的彎曲，而時空彎曲的曲率代表著時空彎曲的尺度，那麼毫無疑問，作為宇宙中質量最大的天體黑洞，其造成的時空彎曲曲率最大，對物體的吸收能力也就越廣。

廣義相對論引力場方程

通俗的說，愛因斯坦的廣義相對論拋棄了引力中力的概念，所以就不用就牛頓經典力學的方式來處理。在彎曲的時空中，我們觀測到的物體運動軌跡其實是彎曲時空下的直線，我們把這種軌跡叫做測地線，在廣義相對論中任何粒子都沿時空中的測地線運動。因此，光子是一種物質，當它路過黑洞作用的彎曲時空內時，光子自然而然就會沿著黑洞的測地線運動而被黑洞捕獲。

時空彎曲下月亮沿著地球測地線運轉

總結

最後，總結一下，如何描述光為什麼會被黑洞捕獲而吸收，一是如果我們運用光的動質量（來自於狹義相對論已經量子理論）與牛頓萬有引力定律（來自於牛頓經典力學），我們可以定性的描述光可以被黑洞吸引，但是不能準確的表達出值。二是如果運用廣義相對論知識可以準確的描述黑洞可以吸收光子已經大質量天體對光造成的偏折效應。

水星進動問題

對於人類來說，我們總是在尋找更加普適的物理理論來解釋發生在宇宙中的各種物理現象。起初，牛頓的經典力學理論為人類的文明發展貢獻了巨大的量，我們認為在低速宏觀的時間裡用經典力學完全可以解決。但是在高速微觀的情況下，牛頓的理論就會失效或者偏差很大。此時，廣義相對論理論就會是更加普適的理論，例如，除了本文的主題之外，經典的水星軌道進動現象等等問題就可以完美的解決。

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關鍵字: 胡克 阿爾伯特·愛因斯坦 物理