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多强的引力才能使光线弯曲?

原创好文2019-10-079

理论上来说,任何大小的引力都能让光的传播路径弯曲。因为任何有质量的物体都能使时空弯曲。


引力是假想力,本质上是时空弯曲。光是沿着弯曲时空中的测地线走的。

按照爱因斯坦的广义相对论,不管这个物体的质量有多小,任何有质量的物体都能使时空弯曲。质量越大,物体对时空的弯曲程度也就越强。


举个例子。在一块绷紧的橡皮毯上有两个大小不一的球,质量大的球使橡皮毯凹陷很多,质量较小的那个球就会向大球滚去,当小球运动速度足够快时,就不至于掉到大球上,而是会环绕大球运动。在我们看来似乎是有一股莫名的吸引力在牵引着他们,实际上是空间被弯曲了。


(空间弯曲示意图)


(物体使三维空间弯曲的效果示意图)


在我们的日常经验中,光是沿直线传播的。实际上,光总是沿着空间中最短的路径传播。当我们所在的空间不是欧几里德的平直空间时,光就会沿着弯曲空间中的测地线运动。所谓的测地线就是空间中两点间的最短路径。在平直空间中,两点之间直线最短,在我们看来光就是沿直线传播的。


光线被引力弯曲了,实际上是时空被弯曲了。由于质量较小的物体,对空间的弯曲程度也较小,通常很难观测到光线被弯曲,只有像太阳质量那样大的物体才能对光线产生轻微的弯曲。


广义相对论预言的引力透镜、光线偏折等现象,都已被精确的实验所证实。通过引力透镜效应的放大作用,可以使天文学家们观测到更更暗、更远的背景星系。


(引力透镜效应示意图)


(引力场方程可以很好的描述物体对时空的弯曲)


光子没有静止质量,但是有动质量,为什么不用它来预言引力对光线的弯曲?

质量和能量可以相互转化,是一体的。光子的静止质量虽为0,但由于光具有能量E=hv,通过质能方程E=mc² ,可以换算出光子的动质量为m=hv/c²。(其中h为普朗克常数,v是光的频率)


光拥有了动质量,就可以用经典力学来描述了。根据万有引力定律F=GMm/r²可以计算出天体与光之间的引力大小。很明显,由于光的动质量非常小,若要使他们之间的引力足够大,必须得大质量的天体才行。


虽然通过经典力学也可以计算出引力对光的偏折角,但其仅为相对论所预言的一半。因此要想描述引力对光的作用,还是需要依靠广义相对论。


1915年爱因斯坦计算出了星光从太阳周围通过时的偏折角为1.75″,1919年天文学家利用日全食的机会成功测量到了太阳对星光的偏折角,其值非常符合爱因斯坦的预测。对“太阳对光线偏折”的预言充分证明了广义相对论的正确性。


(将日全食时拍摄的星空照片与太阳不在这一天区的星空照片做对比,分析照片上星星相对位置的变化,就可以计算出太阳对周围星光的偏折角)


总结

像太阳质量这么大的天体,也仅能对光线偏折一角秒多。由此可见,只有恒星级别质量大小的天体对光线的弯曲,人们才有机会观测到。否则引力对光线的弯曲效果太小,是观测不到的。


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