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光动质量既然光没有质量为什么还会被黑洞吸引?

时间:2020-03-23 17:58:29  来源:本站  作者:

  按照万有引力定律来看,物体间的引力大小与它们的质量和距离有关,如果物体的质量为零那么不管二者相距多近都是不存在引力的,但是在天文观测中,科学家发现质量为零的光依然会被天体所吸引,比如黑洞可以弯曲光线形成事件视界。这该如何解释呢?

  首先来说,光的静止质量等于零其实是一个科学假设,但是这个假设是非常重要的,因为它是现代物理学大厦的基石,如果光子的静止质量不为零,那么和它相关的各种物理理论都需要推倒重来,比如麦克斯韦方程组、库仑定律等等。正因如此,证明光子质量为零就显得越发重要,目前测定的光子质量上限为10^-54kg,这个结果由中国科学家通过精密扭秤测得,同样,科学家认为如果实验精度继续提高,光子的质量上限还会继续降低。

  虽然光子在理论上是没有静质量的,但是其依然具有动质量,这一点我们可以从爱因斯坦的质能方程中得出结论,质能方程表明质量与能量在本质上是一样的。我们知道光子的能量和其频率有关,其能量E=hv,其中h代表普朗克常量,v代表光子频率;而能量与质量的对应关系为E=mc,因此就有m=hv/c,式中普朗克常量h与光速c皆为定值,因此光子的动质量m与光子的频率h呈正相关,光子的频率越高其动质量越大。

  通常我们对引力大小的计算都采用牛顿的万有引力定律,也就是F=GMm/r,但是如果把光子的静止质量代入其中,会发现引力源对光子的引力等于零,那为什么光线还会有弯曲的表现呢?或许我们可以把光子的动质量代入公式中,但是其结果并不符合天文观测的事实,比如水星的近日点进动现象,why?

  要想弄清这一点,还需要考虑到引力的本质问题,爱因斯坦的广义相对论认为,引力其实是时空弯曲所带来的几何效应,简单理解就是,因为“路”是弯曲的,所以在路上跑的光线也就弯曲了,黑洞把“路”压弯了,所以光在经过黑洞附近时,会自己“溜”进黑洞。

  对于引力的本质问题,我们可以从引力透镜中找到证明,引力透镜是由于大质量天体对光线的弯曲作用而产生,而光线在天体附近的偏折角度θ=4GM/(rc),其中G为引力常量、M为天体质量、r为光线与天体的距离、c为光速,从这个公式中我们就可以看出,由于引力常量与光速为定值,因此光线的偏折角度仅与天体质量和光线与天体的距离这两个因素有关,和光线自身是没有关系的,这也表明黑洞吸引光线和光线自身的质量无关。

  综上所述,虽然光没有静止质量但是其具有动质量,但是黑洞是否可以吸引住光线和其动质量也为没有关系的,我们需要从引力的本质来分析问题,相对论认为引力实质上是一种时空弯曲的表现,正是黑洞“压弯”了周围的时空,才会使附近的光线“掉入”黑洞内部,因此在关于引力的认识上,广义相对论比万有引力定律更接近本质。

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