如果光線能被引力所扭曲，那是否意味著光也有質(zhì)量？

2023.04.08 云南

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論學(xué)說，光線和其他事物一樣，都在同樣的方式下被引力影響著。那是因?yàn)榛谶@條理論上，我們不能再將引力歸于力學(xué)一類的矢量中去，而是要將它作為宇宙在“塑形”過程中的一個(gè)結(jié)果。

圖解：空間概念圖

從牛頓的觀點(diǎn)出發(fā)，引力是任何有質(zhì)量的物體對(duì)其他有質(zhì)量物體產(chǎn)生的一種線性方向的力。

他的研究分析表明，其力的強(qiáng)度與兩個(gè)相互吸引物體的質(zhì)量乘積成正比，與兩者之間

距離的平方成反比。因此對(duì)一個(gè)蘋果和地球來說，它們都在相互吸引著對(duì)方向自己靠近，只不過，前者最終“落”敗。既然光線（此處被理解成一種射線或光子）沒有質(zhì)量，基于牛頓的方程式，它自然就不會(huì)因引力被任何物體吸引，無論對(duì)方有多巨大。

圖源：baidu

而對(duì)于所有研究者來說始終如一的是，想要構(gòu)建一個(gè)新的理論框架，就必需從原來固有的一些獨(dú)立參考架構(gòu)中脫離。愛因斯坦就打破了上述對(duì)引力的看法，并提出了一種全新的理解方式。據(jù)此言，所有有質(zhì)量的物體都在改變著時(shí)空的曲率，即宇宙的四維構(gòu)造，物體沿著已形成的曲線穿梭于時(shí)空之間。

圖解：引力三維概念圖

因人類的大腦不擅長(zhǎng)從四維的角度去構(gòu)想事物，所以我們經(jīng)常借用三維打比方。比如把時(shí)空想象成一張沒有物體作用力就平坦舒展的橡膠片。如果我們放置類似于恒星般巨大的物體在這個(gè)空間，它就會(huì)在這個(gè)橡膠片上壓出一個(gè)凹陷或者淺坑。小行星掠過恒星時(shí)也不會(huì)沿著薄片原有的直線，而是會(huì)隨著凹陷處彎曲，產(chǎn)生新的運(yùn)動(dòng)軌跡。如果一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度恰好合適，它可能會(huì)被吸住，隨后如同球繞著輪盤一般，圍繞著它的恒星運(yùn)行。至此愛因斯坦關(guān)于這條學(xué)說的猜想都與牛頓一致，但如今卻出現(xiàn)了一個(gè)巨大的分歧點(diǎn)----如果光穿梭于這張時(shí)空的橡膠片，它會(huì)沿著恒星早已捏塑好的軌道拐彎。

事實(shí)上如果那些坑夠深，其壁壘足夠陡峭，光線就可能跌入其中并再也無法逃脫（即我們所說的黑洞）。牛頓并沒有注意到這點(diǎn)，因?yàn)檫@需要極其巨大的物體來使光線這等行進(jìn)速度極快的物質(zhì)產(chǎn)生能讓我們注意到的彎曲。這也是為什么我們至今依然使用著牛頓的方程式，畢竟在大多數(shù)情況下它都適用。但是實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明牛頓的理論是不正確的，正如愛因斯坦所推測(cè)，光線會(huì)被有質(zhì)量的物質(zhì)吸引。

根據(jù)牛頓引力學(xué)，光線不會(huì)被引力影響，因?yàn)樗]有質(zhì)量。愛因斯坦的質(zhì)能方程E （能量）= m（質(zhì)量）c（光的速度）^2果斷表明了光線會(huì)被引力所影響。事實(shí)的確如此，通過引力透鏡以及其他效應(yīng)實(shí)驗(yàn)便可觀察到。

圖解：引力透鏡概念圖

廣義相對(duì)論（GR）中有關(guān)光線的概念在早期是從麥克斯韋的電磁等式和比安基恒等式中體現(xiàn)出來的。

dF = 0

以及

d*F = 0

此處d為外導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)為2型場(chǎng)強(qiáng)，*為霍奇對(duì)偶算子。

描述光射線以及光錐最簡(jiǎn)單的方式就是通過幾何光學(xué)。與之相類似的，電磁場(chǎng)便可被表述成一個(gè)緩慢變化的振幅和一個(gè)快速變化的相位。

將其套用于在麥克斯韋的方程，我們就能發(fā)現(xiàn)光沿著零測(cè)地線傳播（ds＝0），光波矢和光偏振也同樣如此。其振幅也隨著光束的聚焦或發(fā)散而變化，色散關(guān)系為k

2

＝0（k為波矢量）

這意味著光錐在時(shí)空上被認(rèn)為與零錐一致，及其色散關(guān)系為k

2

＝0。簡(jiǎn)言之，光錐和零錐一樣，兩者都可用來描述時(shí)空的因果結(jié)構(gòu)。

所以解算出零測(cè)地線方程的同時(shí)，也會(huì)告訴我們光的傳播途徑。

圖解：測(cè)地線

以上內(nèi)容只不過是廣泛相談，當(dāng)然，真正實(shí)踐起來想必困難得多。最適合列入思考范圍內(nèi)的例子就是施瓦西時(shí)空，任何關(guān)于廣義相對(duì)論的書籍都會(huì)涉及到它，因?yàn)樗侵两裎ㄒ灰粋€(gè)可以通過實(shí)踐觀察到的（區(qū)別于宇宙學(xué)的解釋結(jié)果）。