學過物理的可能知道,光子沒有靜止質量,按照牛頓的萬有引力定律,光是不可能被黑洞吸引的。那為什麼黑洞可以吸引附近的光呢?
先來認識光
光是我們認識世界的信使。光是物理學中討論最多的物件之一,從牛頓的微粒說與惠更斯的波動說開始,關於光的本質的爭論持續了上百年。之後,麥克斯韋統一了光和電,證實了光也是電磁波,電磁波也是以光速傳播的。真空中的光速不僅是宇宙中最快的速度,還是物體運動速度的極限。
20世紀初愛因斯坦提出了光量子的概念,以此為基礎解釋了光電效應,因此獲得了諾貝爾物理學獎。後來科學家發現,光具有波粒二象性,光既可以看作粒子,又可以看作波。德布羅意發現不僅光具有波粒二象性,電子等微觀粒子也具有波粒二象性,比如光會發生衍射,電子也同樣會發生衍射。從波的角度來看,光就是電磁場的波動。
上圖為電子衍射照片
進入量子力學的世界後,科學家們發現光子還有一個重要的作用,就是充當電磁力(或電磁相互作用)的媒介粒子,粒子之間透過交換虛光子傳遞電磁相互作用。
光有沒有質量?
經嚴格的科學實驗證實,光是沒有質量的,嚴格來說沒有靜止質量。自然界中除了光子,傳遞強力的膠子也是沒有靜止質量的。
不過光卻擁有能量,光所攜帶的能量的大小與它的頻率有關,頻率越高,光的能量越大。即E=hv,其中h為普朗克常數,v表示光的頻率。此外光的頻率越高,光的粒子性就越顯著。
愛因斯坦從狹義相對論中推匯出的質能方程告訴我們:質量和能量是物體同一性質的兩種不同度量方式,能量和質量是高度統一的,有能量的物體便具有質量,有質量的物體也擁有能量。根據質能方程E=mc^2,便可推匯出光的質量為hv/c^2,光的這種質量被稱之為動質量或者相對論質量。
按照相對論的描述,物體的運動速度越快,其所具有的動能也就越大,相應地質量也會越大。不過,只有當物體的運動速度接近於光速時,其質量才會發生明顯的改變,在低速狀態下這種改變可以忽略。正是因為光子的靜止質量為0,光從誕生之時就以光速運動,不需要加速。而當物體有靜止質量時,運動速度達到光速,質量就會變得無窮大,顯然物體的運動速度必然不能達到甚至超越光速。
上圖為相對論質增效應公式
因為光沒有靜止質量,只有能量,我們經常將光當做純能量物質看待,光就是能量的載體。例如:正電子和負電子發生湮滅反應會百分百轉化為能量,這裡的能量其實就是光,正反電子湮滅後會轉化為光子。太陽會發光發熱,太陽的光和熱就是透過電磁輻射的形式傳到地球上的,也就是光。通常我們所說的光是指可見光,其它頻段的電磁波也可以稱之為光。
綜上所述,我們可以認為光是有動質量的。
光為何會被黑洞吸引?
上面已經說過了,光具有動質量,那麼是不是就可以利用萬有引力來解釋呢?
動質量這一概念確實可以解釋光為什麼能夠被黑洞吸引,但卻存在侷限性。一般而言,光在真空中是沿直線傳播的,當光線被黑洞吸引時便會發生偏折。經典力學也能預測到這一現象,但對偏折角的估計卻並不準確。要想精確,就需要採用更完善的理論,相對論力學便是目前認為最完善的理論。
根據相對論的預測,當光線經過太陽附近時,在太陽的引力作用下,光會產生輕微的偏折,計算出的光線偏折角為1.75角秒,而根據牛頓引力理論計算出來的偏折角則為0.87角秒。在20世紀初,由愛丁頓等人領導的科學團隊對此現象進行了多次測量,精確的實驗結果表明:愛因斯坦是對的!
在相對論中,愛因斯坦拋棄了牛頓的引力觀點,或者說不需要引力這個概念了。愛因斯坦引入了空間彎曲的概念,認為引力的本質實際上是空間彎曲。質量越大的物體,對空間的彎曲程度也就越大。
如圖所示,空間彎曲導致的光線偏折現象
通常我們認為光是沿直線傳播的,實際上光是沿空間中的測地線(兩點之間最短距離)傳播的。當空間被彎曲,光也就只能跟著走曲線,於是在我們看來光就被黑洞吸引了。實際上它們之間並不存在力的作用,在此基礎上,光有沒有動質量也就無所謂了。光線被恆星偏折時,偏折角只與恆星的質量有關,與光的動質量無關。
黑洞是一個神秘的天體,因為黑洞表面(視介面)的逃逸速度大於光速,當光闖進黑洞裡面就再也出不來了,因此用傳統天文觀測方法是看不見黑洞的,需要用到引力波。理論猜測,黑洞中心有一個密度無限大、體積無限小的奇點。在人類還沒有發現黑洞之前,科學家就從相對論中推匯出了黑洞的存在,黑洞內部的空間被無限彎曲,時空曲率無限大。
實際上,任何有質量的物體都能夠使空間彎曲,不過只有像太陽、黑洞這樣的大質量天體才能夠使空間產生較大的彎曲效果,人類才能夠發現光線偏折現象。在我們看來,光被這些強引力源吸引了。
如圖所示,光掉進了黑洞
結語 由此可見,不管光有沒有質量,都會被黑洞吸引,因為黑洞周圍的時空彎曲的很厲害,以至於連光也要走曲線。
透過這個問題,讓大家認識到了相對論力學為什麼比經典力學更加完善。傳統的經典力學具有侷限性,只適用於低速、弱引力場下的宏觀運動,要想準確描述高速、強引力場下的情況,就需要相對論出馬了。