光子有質量嗎?為什麼會被黑洞吸引?

光子到底有沒有質量?

光子真的沒有質量嗎?事實上,並非如此。

我們常常把能量和質量撕裂開來看,但這個觀念並不是很正確。比如:我們常常會說的是,原子彈爆炸,質量轉化為能量。不知道你想過沒有,在很多人眼裡,能量是個東西,但是質量也是個東西嗎?如果把能量看成一個東西,非要一一對應的話,能量好像對應物質更加合適的。

說到這裡,你可能會得有點混亂了。是的,其實問題就出在這裡,能量,質量,物質,他們之間到底是什麼關係?

之所以搞不清楚,只因為我們沒有把它們定義好,沒有定義也就無法分類。科學界的祖師爺之一的牛頓就深諳此道,在他的著作《自然哲學的數學原理》中,整本書中最前面的一部分,他都在下定義。

我們現在要搞清楚質量和能量之間是什麼關係,才能進一步探討光子的質量問題。關於這個問題,其實目前最主流的觀念來自於愛因斯坦的狹義相對論。在1905年,愛因斯坦發表了4篇具有開創性的論文,其中第三篇被我們稱為狹義相對論。後來,過了兩個月,他又發了一篇論文,這一篇是對狹義相對論的補充,內容就是探討質量和能量之間關係的。我們後來也把這部分稱為質能等價。

在質能等價這篇論文中,愛因斯坦開頭就寫到一段話,翻譯過來就是:

假如有一個物體以輻射形式發射能量L,它的質量就會減少L/c^2。

愛因斯坦其實構建了能量和質量的等價關係,而且用的就是大名鼎鼎的質能方程E=mc^2。透過愛因斯坦的這篇論文,我們可以知道一件事情。那就是質量和能量其實是一回事,它們是一個東西的兩個面,有質量就有能量,有能量就有質量。有一些人甚至提出這樣的觀點,所謂的物質其實就是極度壓縮的能量,所以物質也是有能量(物質肯定也是有質量的)。

我們來看看光,光是具有能量,因此,光也應該是質量的,我們可以透過質能方程得到光的質量。如果是這樣的話,其實我們就可以利用牛頓定律來求解的。

牛頓定律

而如何從牛頓定律來理解光被黑洞所吸引呢?

其實我們用牛頓在他的著作《自然哲學的數學原理》中提到的一個思想實驗來講述。這個思想實驗也被稱為牛頓大炮。這裡我們有個前提要明確,雖然我們看到大地是平的,但實際上大地是曲的,這是因為地球是球狀的。只不過地球足夠大,所以從小尺度上看,大地近似於平直的。

知道這點之後,我們假設有一個理想的大炮,這時候朝著前方打出一個炮彈,一般來說,這個炮彈就會打出一條拋物線。

如果我們讓大炮打出的炮彈速度足夠快,達到拋物線豎直方向下落的程度恰好和地面下落的弧度一致,這個時候炮彈就會繞著地球轉了。現在我們也把能夠繞著地球轉的速度稱為第一宇宙速度,這個速度是7。9km/s。

如果我們把炮彈的速度達到足夠快,炮彈就可以擺脫地球的引力,我們也把這個速度稱為第二宇宙速度,這個速度是11。2km/s。

我們要知道的是,不同的天體是擁有不同的宇宙速度。而黑洞其實就是第二宇宙速度遠遠大於光速的天體,這就會使得連光都無法擺脫黑洞的引力。而宇宙中物質、資訊、能量的最快速度就是光速。因此,所有的物質都無法逃脫黑洞的魔爪。

廣義相對論

不過,其實黑洞周圍屬於強引力場。牛頓的理論在強引力場的描述並不如廣義相對論的準確。在廣義相對論中,愛因斯坦提出了一套全新的引力引論。他認為並不存在所謂的引力。引力現象之所以會存在,是因為大質量的天體彎曲了周圍的時空。

小質量的天體實際上是沿著時空的測地線在運動。這裡的測地線有點類似於二維平面中的“直線”。也就是說,天體其實是遵循著牛頓第一定律的。比如,月球之所以繞著地球運動,實際上是因為地球壓彎了周圍的時空,月球沿著時空的測地線在運動。

在廣義相對論中,黑洞其實就屬於一種極端扭曲了時空的天體,這就會使得周圍的物體沿著測地線的方向運動時,就會直接掉到黑洞當中。所以,我們發現無論光子有沒有質量,其實在廣義相對論的框架內,它都會掉落到黑洞當中。

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