光子沒有質量沒有電荷,爲什麼會因爲恆星而彎曲?

子豪書摘


施鬱

(復旦大學物理學系)

這個問題可以從幾個角度來回答。

光子沒有靜止質量,但是是有總質量的,這個總質量就是它的能量除以光速的平方,能量就是普朗克常數乘以頻率。這個總質量是慣性質量。愛因斯坦的等效原理告訴我們,它也等於引力質量。 而這個引力質量與恆星的質量之間有萬有引力。

事實上,所有的東西的軌跡都會被引力場彎曲。 所以本質上是引力場導致了空間(乃至時空)的彎曲。在這個彎曲的空間中,“最直”的線也不是直線。在一個球面上,最值得線是大圓。在一個彎曲空間中,光儘量走“最直”的線,然而仍然是彎曲的。而恆星就使得附近的空間發生了彎曲。

想象一個宇宙空間中有個“電梯”向上加速運動,這等效於向下的引力場。因為電梯向上加速,導致從電梯一邊發出的光線到達另一邊時,離電梯最下端更近,這就是光線彎曲。


物理文化與施鬱世界線


我們通常說的光子沒有質量,指的是它沒有靜質量,不過光子有動質量。而且光子有一個特點,它“生下來”就是光速,而且沒有任何加速過程,直接都是以光速前行。不想我們普通物體,要想達到一定速度,肯定有一個加速過程!

所以,說光子沒有質量並不嚴謹。

既然有質量,因為恆星而彎曲就不難理解了,因為恆星引力巨大,大到足以使光線發生彎曲!

事實上光線經過恆星附近發生彎曲的本質是恆星強大的質量壓縮了周圍的時空,光線不得不沿著時空結構飛行,這從側面也證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性!

而光線因為恆星彎曲與黑洞吞噬光線的本質是一樣的,只不過黑洞的引力太了,以至於連光線這麼快的速度也無法逃離黑洞致命的“魔爪”!黑洞能把周圍的時空結構扭曲到極致!


宇宙探索


答:光子沒有靜止質量,但是光子有動質量,動質量受引力場的影響,所以恆星的引力會造成光線的彎曲。


廣義相對論有一條重要的等效原理——引力質量和慣性質量等效。這條等效原理,也可以解釋光線因引力場彎曲的問題。



當初,愛因斯坦建立狹義相對論後,試圖把狹義相對論擴展到非慣性系,這一過程耗費了愛因斯坦近十年的時間,其中關鍵的轉折點,是愛因斯坦想到“電梯思想實驗”。


電梯思想實驗:設想一座高樓內的電梯,正在做自由落體運動,電梯內的科學家拿出手表和手帕;對於電梯外的觀察者來說,電梯內的一切都在做加速運動;但是對於電梯內的科學家來說,手錶和手帕並沒有受到任何力的作用。



這一看似不難的思想實驗,讓愛因斯坦打開了廣義相對論的大門,因為這個思想實驗裡,包含了“等效原理”,而等效原理是廣義相對論的基礎。


我們對電梯實驗加以擴展:設想電梯裡的科學家,拿出一隻激光筆,從電梯左邊射向右邊,即A點到B點;那麼對於科學家來說,激光以直線傳播,這點和零重力場中的結果是一樣的;但是對於電梯外面的觀察者來說,電梯內的所有物體都在加速下降,激光的落點B相對於激光發出來時的位置,已經發生了變化,所以在外界觀察者看來,激光的行進路線將變為拋物線,也就是說光線被重力場彎曲了。



電梯思想實驗告訴我們,我們無法利用任何經典力學的辦法,來區分引力場和加速場,既“慣性質量和引力質量等效”,從中也可以得到光線會在引力場中彎曲的結論。


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艾伯史密斯


按照廣義相對論的說法,這是由於大質量天體(比如恆星)造成了時空彎曲,光線的路徑看似變成了曲線。


其實按照牛頓力學也可以算出光線會恆星引力拖拽,但算下來的結果沒有相對論的精準、接近實際。

從一般相對論的角度,物體在宇宙中運行實際上是不受引力的,因為引力被解釋為時空彎曲的幾何效應。比如光線的傳播,我們一直認為它是按照直線傳播(歐氏幾何中的直線),但實際上它是按照測地線在傳播,也就是最短路徑,不過這裡的時空不再平坦如歐氏幾何那般橫平豎直,取而代之的是黎曼幾何。

物質決定時空如何彎曲,而時空告訴物質如何運動。

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賽先生科普


光子在通過大質量星體附近時,由於空間彎曲,光線會隨彎曲的空間運行,發生偏轉現象。極端的例子是黑洞,黑洞在視界附近空間極度彎曲,在極度彎曲的空間中運行的光子是出不了視界的,所以沒有任何黑洞內的光線與輻射能逃逸出黑洞的視界。


格物不致知


很多人覺得物理學難學,甚至最近有些省份,高中物理選修的人數都大量下降。很重要的一個原因是,物理學沒有太多的公式要記憶,物理學有它自己的思路、思維方式。

就像光的彎曲、以及黑洞這樣的概念,我們從不同的角度來理解。

高中物理有個重要的概念,叫逃逸速度,它等於√(2×G×M÷R),其中G為引力常數,M為星球質量,R為星球半徑。

也就是一個物體,它要能逃離引力場,它的速度要大於等於逃逸速度。

比如如果一個物體要逃離銀河系,那麼根據現在的數據,這個物體的速度要達到525公里/秒。人類要飛出銀河系,目前,做不到。

我們反過來思考,對於既定速度的“東西”,只要星球的物理條件,所產生的逃逸速度,大於這個“東西”的速度,那麼這個東西就逃不出去了。這就是從純粹的運動學角度,來思考物理問題。

正是這樣的思路,拉普拉斯在兩百多年前,推導了一個古典黑洞模型,星球的半徑只要小於等於 (2G×M)÷(c×c), 其中G為引力常數,M為星球質量,c 為光速;那麼光也無法逃離這個星球。

當然,這個想法有可取的地方,至少為探討有沒有這麼一種天體能“捕獲”光,開了先例。但不足的地方也非常明顯,就是,牛頓力學,不適用!

但也許是湊巧,也許是某種更深刻的原因,拉普拉斯在1795年提出的這個星球的半徑,與黑洞的史瓦西半徑,表達式是一模一樣的。

再回到“光線”彎曲這件事。光線彎曲的本質,從廣義相對論的角度來看,是恆星周圍的空間彎曲了。光,是在空間傳播的,因為恆星質量,引起了恆星周圍空間產生了變形,導致了在空間傳播的光,彎曲。一個類比的例子就是,用平直的繃緊的橡膠膜代表空間。膜上面畫一條直線,那就是光在空間傳播。在直線附近,放一顆金屬小球,橡膠膜凹了下去,而直線也就彎曲了。

當然,更近一步的物理解釋要比這複雜的多。另外,光,從光子的角度來理解,它的靜止質量為0,但是它有能量,有動量。所以,人造衛星的太陽能帆板,受到光壓,這是在考慮空間設備的姿態及運動時必須要考慮的一項。


令狐迦基


要想弄明白這個問題,必須用場的有關理論來解釋;現代觀點認為引力場是超大質量天體在空間中產生的空間彎曲效應,物體在該彎曲空間內運動時表現出在空間中運動狀態改變的現象,從而體現出引力效應。

在牛頓力學的經典力學理論和愛因斯坦的廣義相對論背景下均有對引力場的描述。雖然光沒有電荷,但是光是一種由電場和磁場在空間中交替變化產生的波,現在物理證明“場”也是一種物質,由於這種物質很抽象,很多人非常難理解它的存在;(告訴你一個簡單的方法,可以很形象地感受“場”的存在;找兩塊條形磁體,將同極之間對準,用力地擠壓,你會發現無論用多大的力,這兩個極都不會完全接觸在一起,彷彿兩極之間有一種很強的物質在和你的手抗衡。這種物質就是場)。

在大質量的天體附近,質量越大空間就被扭曲得越厲害,你可以將一個鐵球放在一張有彈性的布上面,布上面的那個窩就是空間被扭曲的形象表示。雖然空間會被扭曲,但是也有一個範圍,一旦光進入這個範圍,由於場和場之間有相互作用,光就會被吸進去;最典型的列子就是黑洞。

我們在日常生活中看到的日出,當太陽在地平線上時,其實它的實際位置在地平線以下。


零維立方體


光真能被太陽彎曲,地球上水平發射激光束也會因重力下落了這與平飛子彈重力下落就沒有區別了,質量怎麼定義的,說光子質量為0特指它的哪個性質與原子物質有區別才認為它沒有質量。若僅用原子物質光速時質量就無限大了,而光子能光速飛行質量又不見無限大來認定就太可笑了,中微子也是光速飛行而且確定有質量為何不是質量無限大了?!這不見人說人話見鬼說鬼話的投機取巧的小人邏輯嗎?足見相對論質速增大的滑稽與荒唐!


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