既然光子没有质量,为什么黑洞对光会有引力?

用户29389513


在真空中,如果没有障碍物,那么光沿直线运动。

而我们的空间会被引力扭曲,从而「直线」也会被扭曲。

直线的定义是两点之间最短的一条曲线,这个定义在欧几里得的平直空间中成立,在非欧几何中也成立。



我们所处的空间,由于会被引力扭曲,所以其实需要用黎曼几何来描述,而在这个公理体系下,直线是可以看起来「弯曲」的。

有一种常见的不严谨的说法,是「光具有动质量」,这个说法非常奇怪,因为在物理学中没有「动质量」这个说法。当然,我们可以用能量以及质能方程计算出对应的质量,但如果混淆了,就会出一些问题。

当然,计算对应的质量在有些地方是比较方便的。比如从地面射一束激光出去,在高空观测到的频率会有偏移,如果用几何方法算,那就会非常复杂。但如果用质能关系计算,过程就会非常简洁。


章彦博


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


能量作为量子肯定是有质量的,而且是最真实的存在,有量子自旋产生引力,质能大小决定万有引力的大小,万有引力可分重力,磁力,引力,弱力...黑洞全部具有。根据量子相对论,宇宙的诞生前就是能量子,宇宙不可能是一个奇点诞生的,最小时空是AB量子时空,没有相互运动就没有时空,宇宙诞生前为能量子时空,可理解为黑洞时空,宇宙诞生后为基本粒子时空,基本粒子为宇宙物质的最基本组成成分,和时空中能量子组成宇宙时空,就是现在的时空。所以说没有相互运动就没有时空,只有量子,一切都是空,只有假象,只有人类意识的虚拟现实。&总之黑洞就是能量,和宇宙物质质能交换,周而复始,就是太极图的演变过程,大圈可看成一个宇宙,里面黑半圈可看成黑洞,白半圈可看成星球物质和时空量子,无数个太极组成全部宇宙演变。


天南海北2016


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


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


说光子没有质量并不完全准确,光子确实没有静质量,说白了就是光“一生下来”就是光速飞行,没有加速过程。

不过光具有“动质量”。可以这么理解,我们平时所说的光子其实是“光量子”的简称,而量子本身属于一种能量,根据爱因斯坦的质能方程,能量与质量是同一种东西,所以光子运动中产生的能量也相当于有了质量(动质量)!

这样就比较容易理解黑洞为何会对光子产生引力了!

事实上换一种方式更好理解。根据爱因斯坦的广义相对论,我们所处的时空并不是平直的,而是弯曲的,而黑洞可以把时空结构拉伸到极致,光子只是沿着被弯曲的空间结构在飞行,而由于黑洞对空间的极度拉伸,所以如果光子距离黑洞太近,就会被黑洞吞噬!

而空间的弯曲又是引力产生的本质,所以看起来广义就是被黑洞强大的引力吸引!事实上不仅仅是光子,任何靠近黑洞的物体,包括能量和信息也都难逃被黑洞吞噬的噩运!


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