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。

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? - 天天要聞

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。

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? - 天天要聞

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。

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? - 天天要聞

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。

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? - 天天要聞

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。

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? - 天天要聞

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,它仍然朝着原來的路徑傳播,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着原有路徑傳播,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。

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? - 天天要聞

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。

科學分類資訊推薦

在鳥兒的世界裏,春天似乎更長一些 - 天天要聞

在鳥兒的世界裏,春天似乎更長一些

北京的春天很短。這或許是在北京生活的人的共識。北京所在的地理位置相對靠北,立春時節,天氣還異常寒冷,可以說絲毫感覺不到春天的氣息。判定入春,在氣溫上倒是有一個科學的標準。依據《氣候季節劃分》,北京的入春時間通常在每年3月中下旬。此時,北京城內已是春暖花開,公園裡的山桃、櫻花、玉蘭等爭相開放,其他的植...
集成創新與原始創新 - 天天要聞

集成創新與原始創新

重讀報告文學《赫赫而無名的人生》,心中的一個困惑得到解答。老一輩科學家靠什麼方法,用不到一代人的時間就實現了「核潛艇,一萬年也要搞出來」的誓言?文中記載,黃旭華有一個觀點近乎口頭禪:「在現代,尖端通常不過是常規的組合……綜合就是創造。
天文學家警告:地球或遭「鳥翼」狀太陽噴發衝擊 - 天天要聞

天文學家警告:地球或遭「鳥翼」狀太陽噴發衝擊

周二,天文學家觀測到太陽北半球出現巨大的「鳥翅膀」狀噴發,過熱等離子體波洶湧翻騰。 這股太陽物質細絲長度超過100萬公里,是地球到月球距離的兩倍還多。如今,科學家預測,此次細絲噴發的一部分....
潮聲丨從化石到生命的「逆向」探索 1萬年前滅絕的恐狼「復活」 - 天天要聞

潮聲丨從化石到生命的「逆向」探索 1萬年前滅絕的恐狼「復活」

潮新聞客戶端 執筆 謝丹穎 張苗恐狼是啥?如果你看過前些年大熱的美劇《權力的遊戲》,應該對冰原狼有印象吧?冰原狼的原型,正是恐狼,已在地球上消失萬年之久。如今,它們「復活」了?恐狼曾在熱門美劇《權力的遊戲》中以斯塔克家族的伴侶而聞名,但它實
新毒株來襲了?專家提醒:囤葯不如保護自己 - 天天要聞

新毒株來襲了?專家提醒:囤葯不如保護自己

新冠病毒又來了?我們要做什麼準備?近期,隨着氣溫變化和人群流動增加,全球多地出現新冠病毒感染人數上升的趨勢。根據最新數據顯示,新冠新毒株正在突襲美國。自2023年10月以來,多國報告了新型變異株的傳播,其中XBB.1.5和BA.2.86等亞
五億年前三眼海怪現世:26節身軀改寫進化認知 - 天天要聞

五億年前三眼海怪現世:26節身軀改寫進化認知

近日,加拿大考古團隊在寒武紀岩層中發現了一具保存完好的古生物化石,這種被命名為」莫斯拉·芬托尼」的海洋生物不僅長有三隻眼睛,其多達26節的軀體結構更顛覆了科學界對生物體節演化時間的認知。這項發現為研究現代節肢動物起源提供了關鍵線索,也重新定義了人類對五億年前海洋生態系統的理解。2025年5月,由讓-伯納德·...
百萬公里「鳥翼」太陽爆發,24小時內或衝擊地球,地磁暴與極光預警 - 天天要聞

百萬公里「鳥翼」太陽爆發,24小時內或衝擊地球,地磁暴與極光預警

5月15日,天文學家觀測到一場罕見的巨型太陽活動——一片跨度超96萬公里的熾熱等離子體帶從太陽北半球噴發,形成壯觀的「鳥翼」狀結構。這場爆發可能在未來24小時內對地球產生輕微衝擊,或引發地磁擾動及極光現象。根據美國宇航局(NASA)衛星記錄,此次噴發的等離子體帶長度達96萬公里,是地月平均距離(約38.4萬公里)的...
PEEK行業交流0515 - 天天要聞

PEEK行業交流0515

Q&AQ:當前 PEEK 材料的價格是否也是阻礙其在機械人領域大規模應用的原因之一?未來從成本角度來看,是否會有一些變化?各企業是否有大幅降低成本的可能性?A:PEEK 材料大幅降價的可能性不大。