光子没有质量为什么会被黑洞吸引?

如题所述

第1个回答  2022-07-10

“光子没有质量为什么会被黑洞吸引?”,光子虽然没有静质量,但是光子的传播依然逃脱不了时空的束缚,广义相对论认为,引力本质上可是看做是时空弯曲产生的几何效应,那么在时空中传播的光子必然会受到时空弯曲的影响。

现代科学认为,光子的静止质量是严格等于零的,随着这是一个科学假设,但光子静质量等于零这个条件确实现代物理学大厦的根基,如果光子的静止质量不为零,那么和其相关的基础物理量理论都将改写,比如我们常听到的麦克斯韦方程组、库仑定律等等。科学家为了证明这个假设的正确性,也进行了一系列的实验,其中最直接的办法就是给光子称重。科学家目前通过精密扭秤测得的光子质量上限为10*^-54kg,相信随着实验精确到的提高,该测量经过也会继续下降。

虽然理论上认为光子不具有静止质量,但是它具有动质量。通过质能方程E=MC²可知,质量与能量在本质上是一样的,一定的质量对应一定的能量,反之亦然,而光子的能量和其频率呈正相关,既光子能量E=hv,其中h代表普朗克常量,而v代表光子频率,再结合质能方程E=MC²,可得M=hv/C²,由此可知光子的动质量与光子的频率呈正相关。

在经典物理学中,我们常用万有引力定律F=GMm/r²来计算物体之间的引力大小,但是这明显不适用于光子与黑洞之间的引力计算,因为公式中的质量m代表的是物体的静质量,而光子的静止质量却为零,按此计算,光子应该是不受引力束缚的,但这明显不符合观测事实。同样,如果我们将光子的动质量代入公式中,会发现光子的运行轨道也不符合观测数据,比如水星的近日点进动问题。

随着爱因斯坦相对论的问世,科学家对引力有了更深层次的认识,通常我们将其理解为时空弯曲所带来的几何效应。结合本题,由于“路”是弯曲的,所以在“路”上奔跑的光子的轨迹也就是弯曲的,而“路”弯曲的原因,可以认为是被黑洞“压弯了”。

广义相对论一经提出,在科学家就引起了巨大反响,科学家迫不及待的通过各种试验手段来检测它的正确性,其中爱因斯坦也提出过三种试验方法,既引力红移、水星近日点进动和光线偏折,这些试验后来均得到科学家的验证。

1859年,法国科学家奥本·勒维耶通过天文观测发现,当水星运行到近日点时,其实际运行轨道与通过引力定律推算的轨道存在偏差,其偏差程度大约每世纪增加43弧秒,为了解释这个现象,科学家认为在距离太阳更近的轨道上存在着一颗行星,由于该行星引力影响,水星的运行轨道在近日点时总会出现进动现象,甚至科学家还将这颗设想中的行星命名为祝融星,但是在随后几十年的天文观测中,科学家并没有发现祝融星的存在。直到1915年,广义相对论提出后,科学家通过计算发现,水星的近日点进动现象其实是由太阳造成的时空畸变所产生。因此,在对引力本质的认识上,广义相对论要更进一步。

在本题中,虽然光子没有静止质量,但是依然会表现出被引力源吸引的现象,这正是时空弯曲的表现。类似的情况我们可以参考“引力透镜”现象,我们知道引力透镜是由于大质量天体对光线的偏折作用所产生,其偏折角度θ=4GM/(rc²),其中G表示引力常量、M表示引力源质量、r表示光线与天体的距离、c表示光速,由公式可知,引力源对光线的偏折角度与光子的质量无关,仅和引力源的质量以及光线与引力源的距离有关。这从侧面证明了,虽然光子没有静质量,但是依然会受到引力场的束缚。

由上文可知,万有引力定律有其适用范围,在对引力本质的认识上,广义相对论则更进一步,正是由于黑洞“压弯”了周围的时空,运行在附近时空的光子才会改变轨迹,表现为被黑洞吸引。

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光子真的没有质量吗?事实上,并非如此。

我们常常把能量和质量撕裂开来看,但这个观念并不是很正确。比如:我们常常会说的是,原子弹爆炸,质量转化为能量。不知道你想过没有,在很多人眼里,能量是个东西,但是质量也是个东西吗?如果把能量看成一个东西,非要一一对应的话,能量好像对应物质更加合适的。

说到这里,你可能会的有点混乱了。是的,其实问题就出在这里,能量,质量,物质,他们之间到底是什么关系?

之所以搞不清楚,只因为我们没有把它们定义好,没有定义也就无法分类。科学界的祖师爷之一的牛顿就深谙此道,在他的著作《自然哲学的数学原理》中,整本书中最前面的一部分,他都在下定义。

我们现在要搞清楚质量和能量之间是什么关系,才能进一步探讨光子的质量问题。关于这个问题,其实目前最主流的观念来自于爱因斯坦的狭义相对论。在1905年,爱因斯坦发表了4篇具有开创性的论文,其中第三篇被我们称为狭义相对论。后来,过了两个月,他又发了一篇论文,这一篇是对狭义相对论的补充,内容就是探讨质量和能量之间关系的。我们后来也把这部分称为 质能等价

在质能等价这篇论文中,爱因斯坦开头就写到一段话,翻译过来就是:

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