光没有质量，为何还会受引力影响？广义相对论做出了解释

如果光子无质量，为何光受引力影响？

这是一个非常棒的问题 … 首先，爱因斯坦的广义相对论回答了这个问题。 （剧透预警，光沿测地线传播，测地线在人类日常生活中遇到的情况里大致相当于直线，但它们因引力而弯曲）。同时这也很有趣，因为光在某些意义上确实有“质量”（所以应受引力的影响…往下读！）

在我们的日常经历中，光似乎沿直线传播，不受引力的影响。当然，光线可以在穿过两种介质之间的交界处时发生偏折——想想光线在从空气进入水时发生的折射，这正是造成一根插在一杯水里的草在交界处看似弯折的现象。 但是这种弯折并非引力性的，而是电磁性的。

然而，光在围绕巨大的天体——如中子星和黑洞——传播时，确实会弯曲。爱因斯坦的广义相对论对此做出了解释。

光经过巨大天体时，传播路径出现弯曲，使更远处的天体看起来位置发生了偏移

图源：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

我们对巨大的物体受引力影响都很熟悉。例如，想想围绕太阳运转的一颗行星。在行星移动时，一股向心力作用于它，弯曲了它的移动方向。没有引力，这颗行星会沿直线运动。

太阳系行星沿椭圆形轨道绕太阳运行

图源：UniverseToday

广义相对论换了一种角度看待这种情况。物体并没有被描述为沿着平直时空中的曲线移动，而是被描述为在弯曲时空中沿着特别的“线”移动。曲线是引力造成的结果。时空曲线被称为测地线（又称短程线），它们概括了对于弯曲时空而言直线的概念。

地球的质量弯曲了时空

图源：Wikipedia

光也沿测地线传播（称为零测地线），光的路径同样被引力弯曲，尽管光并不具有任何质量。

目前还有一些更尖端的研究与此回答相关。有理由相信光本身亦弯曲时空，其方式与巨大物体弯曲时空的方式一样。这有时被称作是光的自重力（self-gravitation of light）。其概念是电磁波具有非零能量-动量张量，应该因此而弯曲时空，尽管程度小且方式奇怪。以此方式，广义相对论的公式意味着，由传播中的光造成的时空曲度应该影响到光的传播本身。

引力 (英文Gravity或gravitation，词源拉丁语gravitas，含义是'重量')，是一种一切有质量或能量的物体——包括行星、恒星。星系，甚至光在内——相互吸引的自然现象。在地球上，引力使物体具有重量，月球的引力引起了地球上海洋的潮汐。宇宙中最初的气态物质相互的引力造成宇宙开始结合，形成恒星——让恒星组成了星系——因此引力是宇宙中许多大型天体的成因。引力的作用范围无限远，尽管其作用对越远的物体越弱。

恒星的形成过程

图源：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

引力最精确的描述来自广义相对论（由阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出），该理论并没有将引力描述为一种力，而是作为质量分布不均匀造成的时空曲率的结果。这种时空曲率最极端的例子是黑洞，任何物质——包括光——一旦越过黑洞的事件视界就不可能逃逸。

黑洞概念图

图源：ScienceNews

然而，对大多数应用而言，引力可以由牛顿的万有引力定律得到很好的估算，万有引力定律将引力描述为一种造成任何两个物体相互吸引的力，这个力与两者质量的乘积成正比，与两者距离的平方成反比。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. 叶萤- forbes

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处