如果光子没有质量,为什么光会受到引力的影响?
这是一个很棒的问题……首先,爱因斯坦的广义相对论回答了这个问题。。同时也很有意思,因为光在某种意义上确实有“质”
在我们的日常经验中,光似乎是直线传播的,不受重力的影响。当然,光在通过两种介质的交界处时是可以偏转的——想想光从空气体进入水中时的折射,这是一种插在一杯水中的草似乎在交界处弯曲的现象。但这种弯曲不是引力的,而是电磁的。
然而,当光在巨大的天体周围传播时,比如中子星和黑洞,它确实会弯曲。爱因斯坦的广义相对论解释了这一点。
当光通过一个巨大的天体时,传播路径会弯曲,这使得更远的天体似乎会移动位置
资料来源:美国国家航空航天局、欧空局和美国国际开发署
我们熟悉重力对巨大物体的影响。例如,想象一颗围绕太阳运行的行星。当行星运动时,一个向心力作用在它身上,使它的运动方向弯曲。如果没有重力,行星会直线运动。
太阳系的行星以椭圆轨道围绕太阳运行
来源:环球网
广义相对论从不同的角度看待这种情况。在空中,当物体是直的时,它不被描述为沿着曲线移动,而当它是弯曲的空时,它被描述为沿着一条特殊的“线”移动。曲线是重力的结果。时间空曲线称为测地线,它们概括了弯曲时间空的直线概念。
当地球质量弯曲空
来源:维基百科
光也是沿着测地线传播的,虽然光没有任何质量,但是光的路径也会因为重力而弯曲。
目前,有一些更高级的研究与这个答案相关。有理由相信,当光本身弯曲空时,就像一个巨大的物体弯曲空一样。这有时被称为光的自重。概念是电磁波有非零的能量动量张量,应该是弯曲的空,虽然度数小,方式奇特。这样,广义相对论的公式就意味着传播光引起的时间曲率空应该会影响光本身的传播。
阅读相关知识
引力是所有具有质量或能量的物体,包括行星和恒星。星系,甚至光,都是相互吸引的自然现象。在地球上,重力赋予物体重量,月球的重力导致地球海洋潮汐。宇宙中第一批气态物质的引力导致宇宙开始结合形成恒星——这样恒星就形成了星系——所以引力是宇宙中许多大型天体的成因。引力的作用范围是无限的,尽管它对更远的物体的作用更弱。
恒星的形成过程
资料来源:比尔·萨克斯顿,NRAO/AUI/国家科学基金会
对引力最准确的描述来自广义相对论,广义相对论没有把引力描述成一种力,而是质量分布不均匀引起的时间空曲率的结果。这个时间空曲率最极端的例子就是黑洞,任何物质,包括光,一旦越过黑洞的事件视界,就无法逃逸。
黑洞概念图
来源:科学新闻
然而,对于大多数应用来说,引力可以很好地通过牛顿万有引力定律来估计,该定律将引力描述为导致任何两个物体相互吸引的力。这个力与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。
参考材料
1.维基百科ˌ开放性的百科全书
2.天文术语
3.叶颖-福布斯
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