能让光弯曲的引力得多大?

不忘初心00000


答:理论上任何一个天体的引力都能让光线发生弯曲,只是弯曲的程度不一样而已,以我们的太阳为例,在日全食之时,就会发现太阳附近的星星位置发生了改变,而太阳引力透镜的焦点,大约距离太阳1000个天文单位(0.016光年)。


在广义相对论中,认为引力的本质是空间弯曲,只是在弱引力场中,引力现象可以近似由万有引力定律来描述,爱因斯坦最初预言了光线经过太阳附近时的偏折角度。

在1915年,英国科学家爱丁顿借助难得一遇的日全食现象,成功测量了遥远恒星的光线经过太阳时的偏折角度,其结果与相对论预言基本吻合,而与牛顿力学的预言相差甚远,这一成果成为验证广义相对论的重要实验。

太阳质量高达2*10^30kg,逃逸速度为617.7km/s(地球为11.2km/s),其引力导致的光线偏折都是非常微弱的,那么地球引力导致的光线偏折将会更加微弱。

根据爱因斯坦的预言,大质量天体附近的时空会发生较大的畸变,使得经过天体附近的光线发生弯曲,如果此时观察者位于“光源-天体”的直线上,那么观察者就有可能看到一个或者多个光源成像,这种现象叫做引力透镜效应。

此时的天体,就如一个放大镜,可以把遥远光源的像产生放大作用,引力透镜效应在1979年被首次观测到,现如今,微引力透镜效应已经在天文观测中起着重要作用,比如:

2008年,科学家利用微引力透镜法,探测到距离地球5000光年外的OGLE-06-109L恒星系统具有两颗行星,行星的质量分别为0.71个和0.27个木星质量,对于传统观测方法来说是根本无法实现的。

又比如上图中,是位于蝎虎座的NGC 7250星系,星系中有一颗非常亮的星,这其实是一颗超新星,距离地球4500万光年,科学家正是借助引力透镜效应才观测到如此清晰的图像,而观测距离要比实际距离近100倍。

对于太阳来说,理论上也可以形成引力透镜效应,太阳引力透镜对应的焦距,大约是1000个天文单位,也就是1500亿公里,目前人类的飞行器还没有飞这么远的,旅行者一号也就距离地球200多亿公里。


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艾伯史密斯


本人也曾朦胧的思考过这个问题。

我们知道光的速度是宇宙中最快的速度,约为2.99792×10⁸m/s。光之所以如此快,是因为它的质量为0。

光通常沿直线传播,那么质量为0的光子是如何改变它的直线运动路线而变得弯曲呢?根据爱因斯坦在1915年提出的广义相对论,阐明了光可在大质量天体的巨大引力场中发生弯曲,这是由于大质量天体能让附近的时空弯曲,而经过弯曲时空的光线也随之弯曲了。并且这在大量的天文观测中得到了有力证明:比如引力透镜效应、黑洞吞噬光、日全食时的星光在太阳附近发生偏折…



由上文我们发现一个特性,就是能我们能看到光弯曲现象的都在大质量、大引力天体附近。

那么需要多大的引力会让光发生弯曲呢?小质量、小引力的物体能否使光弯曲呢?

根据牛顿的引力定律:F=G×M₁M₂/R²,物体之间引力的大小与物体质量成正比,与距离成反比。那么不管多小的物体都具有质量,即使一个质子的质量也有1.6726231×10⁻²⁷kg,那么它就有引力,有引力就会让光弯曲(又称光扭曲)。但一个质子的质量太微弱,那么让光发生弯曲的角度也很微弱,微弱到肉眼不可分辨,就算现在高精度仪器也难以测量到。

无论多大引力的物体附近都能让光发生弯曲,只是小引力物体让光弯曲的程度太低,难以观测。

不过相对论对引力有了全新的也更精确的解释,就是大质量天体产生引力是其让附近的时空弯曲,那么附近的光也随之弯曲。但都是引力使光发生的弯曲。

1915年,爱因斯坦计算出了星光在太阳附近的偏折角度是1.75〃。1919年5月29日,西非的普林西北岛与巴西索伯拉市发生了日全食,爱丁顿和戴森随即赶往观测和拍摄。终于得出了星光经过太阳附近的偏折角度是1.61〃±0.4与1.98〃±0.16。为肉眼可见的微弱光弯曲。


其实牛顿也曾计算到太阳的偏折角度约为0.97,但由于某些原因没有得到重视。


弄潮科学


这个问题还是很值得探讨的,但是由于地球等天体的引力没有那么巨大,而且观测困难,具体力的大小也难以衡量,但是扭曲事都会发生的,只是引力越小扭曲越小。首先我们了解光的动质量。

光子动质量计算

由于频率为v的光子的能量为 E=hv,(其中h为普朗克常数),故由质能公式可得其质量为:m=E/c^2=hv/c^2 其中c^2表示光速的平方。


地球对它的扭曲为什么难以观察

从光子质量的计算我们看得出,我们认为光的速度是一个定值,不能更快也不更慢(至少在我们的三维空间里),所以如果光要有加速度也只会是与运动方向垂直90度的向心加速度,不然光速就不恒定了。

既然如此,我们认为光不存在加速度,引力改变光路只能改变它的方向,但是我们从上面公式也看得出,它的速度太大了3.0*10^8m/s,就拿我们的地球来说,地球的半径:6378.137千米,轨道周长:924,375,700.0km。原本地球引力就过小,对于光路的扭曲就非常有限,加之地球的半径过于渺小,光还没来得及转弯就已经错过了地球的引力,所以扭曲的程度极其微小。

太阳就明显的多

但对于太阳,这就明显的多了。1911年,时为布拉格大学教授的爱因斯坦才开始在他的广义相对论框架里计算太阳对光线的弯曲,当时他算出日食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎世的爱因斯坦发现空间是弯曲的,到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。

黑洞扭曲光的路径


黑洞之所以能吞噬光子,是因为黑洞的引力太大。简单的说由于黑洞的质量太大了,导致周围的时空发生了难以想象的扭曲,以至于甚至扭曲到黑洞里。

关于光线扭曲的观测

我们要明白这不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到。想要对它进行测量,必须经过一系列的观测、测量、归算后得出。例如对太阳对光线的扭曲,测量的最好机会莫过于在发生日全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。但即便大如太阳,也要在日全食时拍摄若干照相底片,然后等若干时间(最好半年)之后,太阳远离了发生日食的天区,再对该天区拍摄若干底片。通过对前后两组底片进行测算,才能确定星光被偏折的程度。


探索深空


理论上,只有存在质量的地方都能使光弯曲

引力的产生是时空弯曲的体现,时空弯曲得越严重,相应的引力强度也就越大。

光本身是不会拐弯的,它的传播途径只有一种方式,那就是沿着时空跑,时空是怎么弯曲的,光就怎么去跑。

爱因斯坦曾预言经过太阳附近而传递到地球上的星光会产生弯曲的现象(如果我的记忆没有出错的话,这应该是第一个能证实关于三维空间会弯曲的预言例子)。

爱因斯坦预言经过太阳的光线的弯曲其实并没有弯出很大的角度,而在我们日常的生活中也更没有察觉到任何光线因引力而产生弯曲的现象,其实即是说,要使光线达到明显弯曲的引力是非常强大的。

引力的强大在于质量的大小,可是质量的大小仅是能使引力强大到让光弯曲的一个前提,因为密度才是关键。

在众天体之中,能使光线弯曲到极致的当属黑洞了。有质量的物体均能使光线产生弯曲,只不过这些物体所能使光线产生弯曲的弧度都近乎一线直线,即便是用现有的最精密的仪器也测量不出来,在保证质量的前提下,物体的密度越大,那么它能使光弯曲的弧度也就越大,而黑洞的本身即是时空的弯曲程度能使光线压成一个完整的圆弧。


小民科


理论上来说,任何大小的引力都能让光的传播路径弯曲。因为任何有质量的物体都能使时空弯曲。

引力是假想力,本质上是时空弯曲。光是沿着弯曲时空中的测地线走的。

按照爱因斯坦的广义相对论,不管这个物体的质量有多小,任何有质量的物体都能使时空弯曲。质量越大,物体对时空的弯曲程度也就越强。

举个例子。在一块绷紧的橡皮毯上有两个大小不一的球,质量大的球使橡皮毯凹陷很多,质量较小的那个球就会向大球滚去,当小球运动速度足够快时,就不至于掉到大球上,而是会环绕大球运动。在我们看来似乎是有一股莫名的吸引力在牵引着他们,实际上是空间被弯曲了。

(地月空间弯曲示意图)

(物体使三维空间弯曲的效果示意图)

在我们的日常经验中,光是沿直线传播的。实际上,光总是沿着空间中最短的路径传播。当我们所在的空间不是欧几里德的平直空间时,光就会沿着弯曲空间中的测地线运动。所谓的测地线就是空间中两点间的最短路径。在平直空间中,两点之间直线最短,在我们看来光就是沿直线传播的。

光线被引力弯曲了,实际上是时空被弯曲了。由于质量较小的物体,对空间的弯曲程度也较小,通常很难观测到光线被弯曲,只有像太阳质量那样大的物体才能对光线产生轻微的弯曲。

广义相对论预言的引力透镜、光线偏折等现象,都已被精确的实验所证实。通过引力透镜效应的放大作用,可以使天文学家们观测到更更暗、更远的背景星系。

(引力透镜效应示意图)

(引力场方程可以很好的描述物体对时空的弯曲)


光子没有静止质量,但是有动质量,为什么不用它来预言引力对光线的弯曲?

质量和能量可以相互转化,是一体的。光子的静止质量虽为0,但由于光具有能量E=hv,通过质能方程E=mc² ,可以换算出光子的动质量为m=hv/c²。(其中h为普朗克常数,v是光的频率)

光拥有了动质量,就可以用经典力学来描述了。根据万有引力定律F=GMm/r²可以计算出天体与光之间的引力大小。很明显,由于光的动质量非常小,若要使他们之间的引力足够大,必须得大质量的天体才行。



虽然通过经典力学也可以计算出引力对光的偏折角,但其仅为相对论所预言的一半。因此要想描述引力对光的作用,还是需要依靠广义相对论。

1915年爱因斯坦计算出了星光从太阳周围通过时的偏折角为1.75″,1919年天文学家利用日全食的机会成功测量到了太阳对星光的偏折角,其值非常符合爱因斯坦的预测。对“太阳对光线偏折”的预言充分证明了广义相对论的正确性。

(将日全食时拍摄的星空照片与太阳不在这一天区的星空照片做对比,分析照片上星星相对位置的变化,就可以计算出太阳对周围星光的偏折角)

总结

像太阳质量这么大的天体,也仅能对光线偏折一角秒多。由此可见,只有恒星级别质量大小的天体对光线的弯曲,人们才有机会观测到。否则引力对光线的弯曲效果太小,是观测不到的。

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科学探索菌


让光弯曲的不是引力

约翰·惠勒,黑洞的概念提出者,有一句话很值得用到这里:“质量告诉时空如何弯曲,时空告诉质量如何运动。”

然后,我们需要明白的是,光没有静止质量,但爱因斯坦的相对论赋予了光动质量,而质量点(此处可以理解为光子)在弯曲的时空中运动,轨迹会受到时空弯曲的影响,就跟受到一个力一样;人们为了方便,管这个表现叫“引力”。

简单的讲,让光弯曲的不是引力,而是本来弯曲的时空,光运动的轨迹受到了影响而已。

大家需要注意的是,弯曲的东西,是时空,而不单单是空间。

地球上的例子

如果放弃时间轴,我们可以举一个简化的例子,有一架飞机沿着地球的赤道向前飞行,在飞机的机长视野角度来看,飞机当然是一直向前划出一条直线前进的,但根据测地线原理,你可以看出,飞机当然不是以一条直线进行它的旅程,而是一段弯曲的弧线,贴合地球的表面。而我们理解的光的旅程,在宇宙中传递时,结合上时间作为第四维度,和我们飞机的轨迹,就是这段弯曲的旅程本身了。

回到题目本身,让光弯曲的引力有多大?

爱因斯坦在1912年提出了有质量的物体可以弯曲周围的时空这一结论,但生活中的物体质量太小了,根本不足以达到弯曲光线的程度。那么找什么物体才合适呢?最少都需要一个太阳!如果太阳背后的星体发出来的光线经过太阳周围时被弯曲了,那么空间弯曲的结论就是正确的。但平时太阳实在太过明亮,我们需要日全食的时候,才可以开始做实验。最接近的下一次日全食,刚好是1914年8月21日。但因为一战的缘故,这次观测失败。

1915年,爱因斯坦修改后发表了新的引力场公式,并等待1919年5月29日西非的日全食来验证。此次观测由著名天文学家爱丁顿带队,他们成功拍摄了日全食及其背后天体光线的照片。经过几个月的数据分析,爱因斯坦的引力方程预言的太阳弯曲了周围空间并导致其光线偏移的数据完全符合观测数据。爱因斯坦从此一战封神!

从这里可以知道,最少都需要一个太阳这样的天体质量,才能让人类观测到时空弯曲。

引力透镜效应

除了日全食之外,现在检验时空弯曲的最常用实验是——引力透镜效应。

1980年,天文学家观测到类星体Q0957+561发出的光,就是两个一模一样的类星体,这是人类第一次观测到引力透镜效应。

而现在,利用这种引力透镜效应,也成为当代天文学家观测大尺度范围内的暗物质的最好方法。大量暗物质充斥着整个宇宙空间,占整个宇宙质量的26.8%,而我们观测到的所有行星和星系加起来的普通物质只有4.9%。

简而言之,一切大质量的天体,无论可见物质还是不可见的暗物质,都能引起时空弯曲,造成光线偏折。

结语

我们现在连全宇宙4.9%的部分都未能搞清楚,人类还任重道远啊。


猫先生内涵科普


有点天文知识的人都会知道黑洞这个名词吧,黑洞是看不见摸不着而事实上存在于宇宙之中的,它即看不见又摸不着的原因,就是因为它的强大引力造成的。

那它的引力到底有多大呢?它不但会把周围所有的恒星、行星、小行星、及星际介质等全部物质都吸入其中,并且通过它的或是在它周围的可见光,都逃脱不掉被吞噬的结果。强大的引力还会把它周围的空间拉弯,变得扭曲,光在扭曲的空间中通过传播也会发生扭曲。

当引力达到极限时,也就是说引力达到不能再大了的时候,空间也会扭曲到极限,光在扭曲达到极限的空间里通过时,就无法出来,这就是强大的引力不仅能让光扭曲,极限的引力还会让光在极度扭曲的空间困住光。这个引力的强大真的是难以想象,让人类叹为观止。不看不知道,一看宇宙真奇妙!



东北老胡1954


至今没法证明引力会使光线弯曲!爱丁顿的观测实验是一种错误的解读!

他说天文观测证明了爱因斯坦的理论预言即引力会使光线弯曲是正确的,可是他却没有排除最大可疑之处,并且是已知的可能的一种因素,就是恒星大气对光线的折射作用。

太阳光线照到地球上也有诸多的折射,所以一个恒星的光线经过另一个恒星附近时,它也一定会发生折射现象。

然而爱丁顿以及英国皇家科学院在没有严格审议观测团队的观测结果的情况下匆忙而草率地对外宣布它们找到了相对论的直接证据 ,这是导致相对论走红的直接原因。

走红后的相对论则被利益集团层层保护起来,人们编造了无数的证据来支持它,维护它,维护它难得的成功形象和地位,以至于至今还能蒙骗人于无形之中,因为世人从小就被灌输相对论是伟大理论的前提,无形之中就得到了最大的支持率,要是谁有什么不能理解也只能是他个人的事,丝毫不能动摇相对论的地位。


前进波涛


电场磁场受引力作用吗?若受不论引力大小都能让光弯曲,低温物质所含的电磁场能小于高温物体,也就是它们的质量并不相等,


绿水青山48936175


让光线弯曲不是引力是大气折射。大质量天体周围都有浓厚大气层。地球周围1大气压的气体就对光有明显折射作用。星星会眨眼睛是大气不稳定形成折射。海市蜃楼是地球大气折射现象。透过火堆上面向远处境物看去,发现扭曲抖动现象。用充满二氧化碳透明气球可作气体透镜。都说明了不同密度气体对光线的折射作用。太阳有巨大引力,光球外面是浓厚大气层,一直延申到冥王星。形成一个巨大的气体透镜。光线从太阳附近经过时被气体折射,硬说成是太阳引力使光弯曲,是无知科学家无稽之谈。不但证明不了相对论,爱丁顿反而第一次证明了相对论是缪论。形成了大家共识。


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