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如果光沒有質(zhì)量,那為什么又會受重力的影響?

我們可以從兩個方面來解釋這一問題(其實還有更多原因,我先從這兩方面下手):

  1. 重力并不是來源于靜止質(zhì)量,而是能量。對于大多數(shù)物體,其質(zhì)能占據(jù)主導(dǎo)地位,牛頓稱為質(zhì)量。而光子是有能量的。

  2. 由E=MC2可知,光子確實有動能質(zhì)量?!皠幽苜|(zhì)量”這個術(shù)語在今天已經(jīng)不常用了,但在過去幾十年中,這一術(shù)語深深影響著諸多物理學(xué)家。

       

     

圖片來自: Evannovostro

如果光子沒有質(zhì)量,那么物理學(xué)家們也真的不知道重力是如何影響光的。所以,光子是肯定有質(zhì)量的,否則所有理論都道不清說不明了。但是,這沒有解釋清楚光子是如何與引力場相互作用的。

       

     

圖片來自:scienceabc

更令人遺憾的是,物理學(xué)家們也不知道質(zhì)量是如何產(chǎn)生引力場的,說是質(zhì)量使時空彎曲不能算作是答案。如果時空彎曲, 那么是在什么機(jī)制下產(chǎn)生的,而它又是由什么組成的?

《戈登的萬物理論》解釋了時空的組成及其結(jié)構(gòu),還分別介紹了光子和電子以及他們的內(nèi)部能量結(jié)構(gòu),這為奠定物理學(xué)基礎(chǔ)模型提供了新角度。

       

     

光含E1能量(可參考能級和上帝方程式的相關(guān)內(nèi)容),時空由E0能量組成。根據(jù)戈登萬物理論,光速是能量必須通過能量形成的速度,時空中的能量越大,光速就越慢。如果時空中的E0能量增加,光速就會相對降低,如果光子的一邊能量較多,那么它的速度就會相對變慢,并向能量較多一邊傾斜。

       

     

即使我們身處時空之中,我們也永遠(yuǎn)無法體會到相對光速隨時空中E0能量的變化而變化,于是邁克爾遜-莫雷實驗應(yīng)運而生。質(zhì)量代表E2能量和粒子能量,這里的質(zhì)量是指字面上與物理意義上的無限延伸。光子在時空路徑上所歷經(jīng)的能量類型不重要,可以是E0,E1,或者是E2能量。引力場是在E2能量與時空E0能量的共同作用下產(chǎn)生的。

       

     

圖片來自:Stannered/Wikimedia Commons

當(dāng)光子行經(jīng)引力場時,它正通過E2能量前進(jìn),如果這時在光子的路徑上出現(xiàn)呈橫向的E2能量梯度,那么在能量較高的一側(cè),光子的速度會相對較慢,其路徑也會彎曲。

以上的回答都是利用廣義相對論原理解釋時空彎曲的,然而實際上并沒有那么復(fù)雜,伽利略就曾說過:“這時錘子與羽毛的問題(只不過這里的羽毛代指光子)。

       

     

伽利略非常清楚,物體下落時受到重力影響,無論質(zhì)量多少,其加速度都是相同的。

現(xiàn)在假設(shè)我將一把錘子以光速扔向太陽(角度稍偏一點,以免撞向太陽表面),錘子經(jīng)過太陽時,受到太陽引力影響,運動軌跡會發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)。接下來用比第一把小100倍的錘子,重復(fù)這個實驗,那么太陽的引力會影響實驗結(jié)果嗎?當(dāng)然不會,詳情參考“錘子與羽毛”原理。無論質(zhì)量如何,物體在引力的作用下加速度都是相同的。就算是用比第二把小10萬億的錘子重復(fù)這一實驗,你看到的也與第一次的實驗結(jié)果相同。繼續(xù)實驗,將近乎無質(zhì)量的粒子拋向太陽,受到太陽引力的影響,這顆粒子的運動軌跡也會發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)牛頓物理學(xué),通常認(rèn)為無質(zhì)量的粒子不會受到引力的影響,因為牛頓認(rèn)為萬有引力與質(zhì)量的乘積成正比,所以零質(zhì)量也就意味著零重力。然而,這只是數(shù)學(xué)體系帶來的錯覺。我們關(guān)心的是加速度,以及萬有引力公式與牛頓第二定律相結(jié)合時,下落物體的質(zhì)量會抵消掉,這便是牛頓力學(xué)中所包含的簡單的事實——質(zhì)量無關(guān)緊要。無論測試粒子的質(zhì)量小的多么離譜,產(chǎn)生的加速度都是一樣的,即使以接近光的速度將戰(zhàn)艦、錘子、低能電子以及無質(zhì)量的光子拋向太陽,他們都會以相同的較小弧度經(jīng)過太陽。

時空彎曲使有質(zhì)量粒子受到引力影響,但無質(zhì)量粒子并非如此,而是由于等效原則。引力就像加速度的參考系一樣,會影響所有運動。錘子和羽毛以相同的加速度下落,光子也是如此,只是不同之處在于光子總是以光速運動,所以“下落”對其運動軌跡的影響也只是微乎其微的偏轉(zhuǎn)。

最后,值得我們注意的是雖然牛頓的確預(yù)測到了光會受到太陽引力的影響,但得到的數(shù)據(jù)卻偏差了1/2。愛丁頓在觀測日食期間,觀察到星光受到太陽引力的影響而發(fā)生偏折并對其進(jìn)行測量計算,證明了廣義相對論,從此愛因斯坦名聲大噪,成為了具有世界性影響力的物理學(xué)家。這一切都要歸結(jié)在“1/2”這個數(shù)字上。光發(fā)生偏轉(zhuǎn)本身并不能證明什么,但偏轉(zhuǎn)的具體大小卻改變了世界……

       

     

1919年5月29日拍下的日全食(圖片來源:F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON, C. DAVIDSON)

作者: quora

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