光子没有质量没有电荷,为什么会因为恒星而弯曲?

子豪书摘


按照广义相对论的说法,这是由于大质量天体(比如恒星)造成了时空弯曲,光线的路径看似变成了曲线。


其实按照牛顿力学也可以算出光线会恒星引力拖拽,但算下来的结果没有相对论的精准、接近实际。

从一般相对论的角度,物体在宇宙中运行实际上是不受引力的,因为引力被解释为时空弯曲的几何效应。比如光线的传播,我们一直认为它是按照直线传播(欧氏几何中的直线),但实际上它是按照测地线在传播,也就是最短路径,不过这里的时空不再平坦如欧氏几何那般横平竖直,取而代之的是黎曼几何。

物质决定时空如何弯曲,而时空告诉物质如何运动。

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赛先生科普


施郁

(复旦大学物理学系)

这个问题可以从几个角度来回答。

光子没有静止质量,但是是有总质量的,这个总质量就是它的能量除以光速的平方,能量就是普朗克常数乘以频率。这个总质量是惯性质量。爱因斯坦的等效原理告诉我们,它也等于引力质量。 而这个引力质量与恒星的质量之间有万有引力。

事实上,所有的东西的轨迹都会被引力场弯曲。 所以本质上是引力场导致了空间(乃至时空)的弯曲。在这个弯曲的空间中,“最直”的线也不是直线。在一个球面上,最值得线是大圆。在一个弯曲空间中,光尽量走“最直”的线,然而仍然是弯曲的。而恒星就使得附近的空间发生了弯曲。

想象一个宇宙空间中有个“电梯”向上加速运动,这等效于向下的引力场。因为电梯向上加速,导致从电梯一边发出的光线到达另一边时,离电梯最下端更近,这就是光线弯曲。


物理文化与施郁世界线


很多人觉得物理学难学,甚至最近有些省份,高中物理选修的人数都大量下降。很重要的一个原因是,物理学没有太多的公式要记忆,物理学有它自己的思路、思维方式。

就像光的弯曲、以及黑洞这样的概念,我们从不同的角度来理解。

高中物理有个重要的概念,叫逃逸速度,它等于√(2×G×M÷R),其中G为引力常数,M为星球质量,R为星球半径。

也就是一个物体,它要能逃离引力场,它的速度要大于等于逃逸速度。

比如如果一个物体要逃离银河系,那么根据现在的数据,这个物体的速度要达到525公里/秒。人类要飞出银河系,目前,做不到。

我们反过来思考,对于既定速度的“东西”,只要星球的物理条件,所产生的逃逸速度,大于这个“东西”的速度,那么这个东西就逃不出去了。这就是从纯粹的运动学角度,来思考物理问题。

正是这样的思路,拉普拉斯在两百多年前,推导了一个古典黑洞模型,星球的半径只要小于等于 (2G×M)÷(c×c), 其中G为引力常数,M为星球质量,c 为光速;那么光也无法逃离这个星球。

当然,这个想法有可取的地方,至少为探讨有没有这么一种天体能“捕获”光,开了先例。但不足的地方也非常明显,就是,牛顿力学,不适用!

但也许是凑巧,也许是某种更深刻的原因,拉普拉斯在1795年提出的这个星球的半径,与黑洞的史瓦西半径,表达式是一模一样的。

再回到“光线”弯曲这件事。光线弯曲的本质,从广义相对论的角度来看,是恒星周围的空间弯曲了。光,是在空间传播的,因为恒星质量,引起了恒星周围空间产生了变形,导致了在空间传播的光,弯曲。一个类比的例子就是,用平直的绷紧的橡胶膜代表空间。膜上面画一条直线,那就是光在空间传播。在直线附近,放一颗金属小球,橡胶膜凹了下去,而直线也就弯曲了。

当然,更近一步的物理解释要比这复杂的多。另外,光,从光子的角度来理解,它的静止质量为0,但是它有能量,有动量。所以,人造卫星的太阳能帆板,受到光压,这是在考虑空间设备的姿态及运动时必须要考虑的一项。


令狐迦基


我们通常说的光子没有质量,指的是它没有静质量,不过光子有动质量。而且光子有一个特点,它“生下来”就是光速,而且没有任何加速过程,直接都是以光速前行。不想我们普通物体,要想达到一定速度,肯定有一个加速过程!

所以,说光子没有质量并不严谨。

既然有质量,因为恒星而弯曲就不难理解了,因为恒星引力巨大,大到足以使光线发生弯曲!

事实上光线经过恒星附近发生弯曲的本质是恒星强大的质量压缩了周围的时空,光线不得不沿着时空结构飞行,这从侧面也证实了爱因斯坦广义相对论的正确性!

而光线因为恒星弯曲与黑洞吞噬光线的本质是一样的,只不过黑洞的引力太了,以至于连光线这么快的速度也无法逃离黑洞致命的“魔爪”!黑洞能把周围的时空结构扭曲到极致!


宇宙探索


答:光子没有静止质量,但是光子有动质量,动质量受引力场的影响,所以恒星的引力会造成光线的弯曲。


广义相对论有一条重要的等效原理——引力质量和惯性质量等效。这条等效原理,也可以解释光线因引力场弯曲的问题。



当初,爱因斯坦建立狭义相对论后,试图把狭义相对论扩展到非惯性系,这一过程耗费了爱因斯坦近十年的时间,其中关键的转折点,是爱因斯坦想到“电梯思想实验”。


电梯思想实验:设想一座高楼内的电梯,正在做自由落体运动,电梯内的科学家拿出手表和手帕;对于电梯外的观察者来说,电梯内的一切都在做加速运动;但是对于电梯内的科学家来说,手表和手帕并没有受到任何力的作用。



这一看似不难的思想实验,让爱因斯坦打开了广义相对论的大门,因为这个思想实验里,包含了“等效原理”,而等效原理是广义相对论的基础。


我们对电梯实验加以扩展:设想电梯里的科学家,拿出一只激光笔,从电梯左边射向右边,即A点到B点;那么对于科学家来说,激光以直线传播,这点和零重力场中的结果是一样的;但是对于电梯外面的观察者来说,电梯内的所有物体都在加速下降,激光的落点B相对于激光发出来时的位置,已经发生了变化,所以在外界观察者看来,激光的行进路线将变为抛物线,也就是说光线被重力场弯曲了。



电梯思想实验告诉我们,我们无法利用任何经典力学的办法,来区分引力场和加速场,既“惯性质量和引力质量等效”,从中也可以得到光线会在引力场中弯曲的结论。


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艾伯史密斯


光子没有质量没有电荷,为什么会因为恒星而弯曲?

可以从两个角度来理解个概念:

1.一个大质量的天体会显著的扭曲空间,而光线穿行其间时由于空间扭曲,因此导致恒星穿行路线看起来被扭曲了,其实光走的一直都是直线!

因此如果能制造出一个弯曲空间来的话,那么这个迷宫将永远都不可能有人走出来,因为看起来是直的,但却一直在走弯路,而自己却一点都不会发现!就像传说中的“鬼打墙”!

2.光子虽然没有静止质量,但它仍然有动态质量,这个质量的计算为:它所携带的能量/光速的平方,能量为:普朗克常数×光线的频率!

所有具有质量的物质都会受到引力场的作用而改变运动路线,其实空间是否也算有质量的物质,但毫无疑问哦,引力场弯曲空间一点问题都没有!

因此无论是哪种解释,光线传穿过大质量天体的周围时即可显著观测到其弯曲现象,而我们将这个效果称为引力透镜,并且有很多本来难以观测的遥远天体都通过引力透镜得以显示在世人的面前!


星辰大海路上的种花家


要先了解光是什么、光是一种旋转的波,为什么我们会觉得光的速度是守恒的只是参照物造成的、2辆火车同一个方向一样速度、里面的人看到火车是不动的,如果相反对于里面的人火车速度加速了一倍,这就可以说明一点光的运动也是可以改变的只是我们身在其中找不到参照物所以没有办法看到这点。还有一点也说明不是光的速度不变不变只是我们测量光的方法关系,我们举个列子一颗子弹打出去撞到墙有个减速过程,能量被墙体吸收了子弹也就不动了、如果前面的墙是很硬的钢、子弹打不穿的时候你会发现子弹会被弹开,所以钢板的角度能改变吸收的能量、撞击的角度越大阻力就越小,光的运行轨道照成光撞击的角度多会很小,现在把子弹改成光垂直打向墙面、其实它撞击墙面的时候是不会垂直、因为光是在旋转的,不管哪个方向受阻、它永远是很小的角度去撞击,所以速度也基本保持不变


啊迟1


光子在通过大质量星体附近时,由于空间弯曲,光线会随弯曲的空间运行,发生偏转现象。极端的例子是黑洞,黑洞在视界附近空间极度弯曲,在极度弯曲的空间中运行的光子是出不了视界的,所以没有任何黑洞内的光线与辐射能逃逸出黑洞的视界。


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要想弄明白这个问题,必须用场的有关理论来解释;现代观点认为引力场是超大质量天体在空间中产生的空间弯曲效应,物体在该弯曲空间内运动时表现出在空间中运动状态改变的现象,从而体现出引力效应。

在牛顿力学的经典力学理论和爱因斯坦的广义相对论背景下均有对引力场的描述。虽然光没有电荷,但是光是一种由电场和磁场在空间中交替变化产生的波,现在物理证明“场”也是一种物质,由于这种物质很抽象,很多人非常难理解它的存在;(告诉你一个简单的方法,可以很形象地感受“场”的存在;找两块条形磁体,将同极之间对准,用力地挤压,你会发现无论用多大的力,这两个极都不会完全接触在一起,仿佛两极之间有一种很强的物质在和你的手抗衡。这种物质就是场)。

在大质量的天体附近,质量越大空间就被扭曲得越厉害,你可以将一个铁球放在一张有弹性的布上面,布上面的那个窝就是空间被扭曲的形象表示。虽然空间会被扭曲,但是也有一个范围,一旦光进入这个范围,由于场和场之间有相互作用,光就会被吸进去;最典型的列子就是黑洞。

我们在日常生活中看到的日出,当太阳在地平线上时,其实它的实际位置在地平线以下。


零维立方体


非邀

有一个案例由于时间久了我记不清是具体那个星辰。说的是一个科学家某天观察到某个星辰,其实这个星辰在观察它时已经躲在了太阳的背后。我们知道,我们观察事物是直线的,为什么能看到实际上己经躲在太阳背后的星辰呢?当时引起一阵狂热,说是那个星辰距离很远,当我们看到该星辰传来的光时,星辰己经飞行到太阳背后。另外一种说法是太阳的质量扭曲了时空,光线随着弯曲的弧线传到了我们的眼睛。这两种说法居然都符合科学理论。

我真的佩服科学界人士的智慧,无论从那个角度解释,都让人觉得合情合理无懈可击。

这件事,使我想起另一个故事,三个秀才上京考状元,遇到一个高人,于是问卜谁能高中,高人竖起来一只手指。说天机不可泄漏。后来三个秀才果然有一个高中。于是对高人莫拜不已说是遇到了神仙。

其实高人确实是一个高人,他举起一个手指,可以说是一个人高中,三个人一齐高中,或一个人不中。反正,无论什么结果,都是对的。

我觉得爱因斯坦就是这样一个高人,他的理论让全人类是觉得对的。因为他的相对论有自我圆释的机制,让人类不知不觉坠入他的数字游戏之中。

任何人都知道,水,空气,砂堆这些非连贯的物体任何力量都使它们不会弯曲,这些东西宁断不曲。太空也是一样,太空能容纳宇宙中的物体,星辰,主要就是它是空的散粒态的并且零抗力的。任何密度质量越大的物质越容易溶入空间,相反,密度质量越小的物体反而有可能被空间浮起,不容易进入散粒空间状态。这是常识。

假设宇宙空间是由非常微小的散状粒子组成的海洋,大质量星球也无法让空间弯曲。只不过所有星球都是高速旋转的,却可以让这些散状粒子随之旋转形式旋涡。

而光线会被这些旋转的微小粒子折射产生红移现象,这就是科学界称之为引力红移。

从太空站用电磁波观察地球,地球的大气层也随着地球高速自转,而同步太空站的观察器与地球的自转由于距离与引力也会产生偏移,加上电碰波传输延时效应也会产生了光学红移,而不是什么光线弯曲。就象Gps定位,不是地球时间比空间站的时间慢,而是电磁波在经过大气层时传递信息时的速度有误差。(光的传播速度在空气中是可变的)

地上一日天上一年那是痴人作梦!

空间不会弯曲,光线永远直射。

所有的误会,都是来自电射观察器的电磁波传递信息时的时间延误。

光速不变误人不浅!

我们知道用电磁波观察遥远的星辰,光源的光学现象是可变的,光源远去会产生红移,光源迎面而来越近会产生蓝移,这不仅说明光源在动,光源位置变化,那么对不同观察者的距离也在变化,距离变化,那么光要到达不同观察者的时间也在变化,时间在变化,那么相对不同观察者的速度也在变化!

科学界用的本来就是可变的电磁波作为一把标准尺来解释宇宙中的星辰运动规律,所以产生了许许多多科学笑话。

但由于科学界人士都是高智商的人,加上有万事都是相对的相对论自洽机制,从这方面解释不通就从另一个角度也可以自圆其说,因而把人类包括科学界本身一直绕在自己的慌言中。

现代科学理论界是一座海市蜃楼,只有破除迷信,推倒相对论这坐神坛,科学界才能走出迷谷与现实接轨。


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