揭秘：為何光子能被黑洞吸引？ _生活知道

揭秘：為何光子能被黑洞吸引？
【揭秘：為何光子能被黑洞吸引？】原文：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。那為什么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對象之一，從牛頓的微粒說與惠更斯的波動說開始，關于光的本質的爭論持續了上百年。之后，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。后來科學家發現，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后，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，粒子之間通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導出的質能方程告訴我們：質量和能量是物體同一性質的兩個不同度量方式，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，便可推導出光的質量為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于光速時，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，這里的能量其實就是光，正反電子湮滅后會轉化為光子。太陽會發光發熱，太陽的光和熱就是通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，那么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么能夠被黑洞吸引，但卻存在局限性。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并不準確。要想精確，就需要采用更完善的理論，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，于是在我們看來光就被黑洞吸引了。實際上它們之間并不存在力的作用，在此基礎上，光有沒有動質量也就無所謂了。光線被恒星偏折時，偏折角只與恒星的質量有關，與光的動質量無關。黑洞是一個神秘的天體，因為黑洞表面（視界面）的逃逸速度大于光速，當光闖進黑洞里面就再也出不來了，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導出了黑洞的存在，黑洞內部的空間被無限彎曲，時空曲率無限大。如圖所示，黑洞對空間的彎曲程度極大實際上，任何有質量的物

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