光沒有質量,為什麼引力可以彎曲光?愛因斯坦如何解釋等效原理?

2023年05月13日20:06:06 科學 1960

引力透鏡是一個非常重要的引力特性,引力透鏡的原理其實就是光在經過引力場時被彎曲的現象。在我們的理解中,引力可以對有質量的物體產生作用,比如我們被地球引力束縛在地球上,怎麼跳都會掉落下來,這就是引力產生的重力作用。但光卻不一樣,光沒有質量,理論上光應該是不會被引力影響的。

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廣義相對論中對引力透鏡有一定的解釋,而且在後來的日食中得到了證實。證實原理非常簡單,當發生日食的時候天空就是一片黑暗,看向太陽的位置理論上看不到被太陽擋住的星星,可是當我們抬頭看太陽的邊緣區域時卻看到了原本應該被太陽擋住的星星,這說明星星射過來的光經過太陽時被彎曲繞過了太陽。這個實驗很重要,因為這證明了光在宇宙的傳播路徑會被引力影響而發生彎曲。

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這其實就是愛因斯坦提出等效作用的重要依據,我們雖然知道引力對光產生影響,卻不知道為什麼會影響。愛因斯坦的思考就非常獨特,我們在地球上受到了一個G的重力,但如果我們在沒有引力干擾的太空中,當我們站在一個封閉的盒子里,這個盒子以一個G的加速度自下往上進行加速時,我們同樣會被按在地板上,而我們感受到的是一個G向下的力。但這個盒子並沒有重力,讓我們感受到的一個G的力完全是加速效果造成的。說明加速運動和重力其實是等效的。

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如果在這樣的等效加速中,我們向前扔一顆石子,因為盒子還在向上加速,石子會有一個向前的力和向下的力,在盒子里看的話,石子會形成一個拋物線的向下落體運動,和站在地球扔石子的效果是一樣的。同理,當我們用一束光向前照射,由於盒子向上加速運動,在盒子里看起來,光也會出現同樣的拋物線,會向下彎曲。不過由於射出的光水平方向的速度是光速,而盒子只有一個G的加速度,所以必須是盒子足夠長才能看到這個彎曲效果。

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等效原理其實就是愛因斯坦對引力的解釋,我們在加速的盒子中很好理解為什麼光會彎曲,但當光經過引力場時,引力源並沒有運動也能彎曲光線,這就是等效原理。原因就是引力場會彎曲空間,而光是直線傳播,在經過彎曲空間時最短的路徑其實就是被彎曲的路徑,所以在光看來它走的是直線,在我們看來光被彎曲了。等效原理也等於解釋了引力的原理,加速飛行的盒子在空間中發生了位移,在密封的盒子中看來,其實就是空間在大範圍彎曲,所以引力的來源就是空間彎曲的結果。

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那麼我們來理解一下為什麼引力會彎曲空間。在那個密封的盒子向上加速的過程中,當水平射出一束光的時候,這一束光並不會改變路徑,它仍然朝著原來的路徑傳播,但盒子卻在向上加速,不看盒子外,只看盒子內部就會發現,盒子內部的空間其實已經向下彎曲,但光並沒有改變路徑仍是順著原有路徑傳播,但在我們看來盒子內的空間由於發生了加速,空間一樣向下彎曲了。

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加速度會產生等效於重力的作用,由於重力是引力的結果,同理引力也會產生等效的加速度作用。加速產生了空間彎曲的效果,而相反空間彎曲同樣會產生加速度的效果,所以這就是為什麼愛因斯坦認為引力是空間彎曲的原因。那麼,引力其實不是什麼所謂的引力因子形成的,也並不是力,而是空間彎曲的效果。我們其實就相當於在那個盒子里,在我們看來,引力就是一種力,而如果你站在盒子之外再去看,引力並不是力,只是彎曲了空間而已。

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