如果光沒有質量,那麼重力是怎麼扭曲它的呢?答案令人深思

是的,根據牛頓力學理論,光並不受重力的影響,因為光是無質量的。早在1912年,也就是距離他在廣義相對論公式取得最終突破的三年前,愛因斯坦寫下了一條對光線偏折 (deflection of light)極為重要的後果之一的簡明描述:(幾何)引力透鏡(gravitational lens)的可能性。這種透鏡由質量M組成,質量M使遠處的光源S發生光線偏折,使得光沿着兩條不同的路徑到達觀察員O。因此,觀察員O將會看見S的兩個不同圖像。

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兩幅圖像之間的角度取決於物體的質量以及源、質量和觀察者之間的距離;這不能有任何差錯,因為如果兩顆恆星不能精確地對準那麼就不能產生從地球上可觀測到的雙重圖像。事實上,1919年的日全食觀測就證實了引力透鏡和廣義相對論。

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現在你已經看到了,有質量的物體是如何改變時空的曲率的,光是如何在時空中移動的,然後簡單地遵循已被創建的曲線;重力並不是彎曲的光。

目前,引力透鏡(gravitational lensing)是天體物理研究中一個非常活躍的領域。自1983年在法國列日舉行第一次專門討論引力透鏡的會議以來,每年都有類似的國際會議。

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克里斯蒂娜.李很好地回答了這個問題。

根據愛因斯坦的狹義相對論,沒有實驗能告訴密閉室中的他或她是處於靜止狀態,還是做着勻速直線運動。但任何偏離勻速運動的情況都是很明顯的。所以愛因斯坦其實是做了一個思維實驗。

他把自己放在一隻火箭(封閉的艙室)裏,把它放在遠離任何引力物質的地方。在這樣一個地方,所有沒有固定在牆上的東西都會自由地漂浮在房間裏。現在,火箭通過啓動發動機在某個方向上面加速。所以所有的漂浮物和愛因斯坦都會“掉”到靠近馬達的牆上(這和一個人因為汽車的加速而被推到座位上的情形是一樣的)。如果火箭的加速度等於重力引起的加速度,火箭內的每個人都會認為火箭在地球表面。

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讓我們在這個加速系統中做另一個實驗。火箭中的一個觀察者有兩個球體,一個是鐵的,一個是木頭的。讓他同時釋放他們。他們兩個會同時撞到“地板”(靠近馬達的牆壁)。這是在任何行星上發生的事情(由於大氣層而忽略了任何阻力)讓我們看看這個結果背後的原因。當觀察者握住球體時,它們處於加速運動中。他一釋放了它們,它們就獲得了火箭在釋放瞬間的速度(任何與火箭身體接觸的物體都會有火箭的速度,只要它是接觸的)。這很明顯。但任何東西一與火箭的身體斷開,它就會獲得火箭在斷開時的速度。

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現在這些球體在火箭前進的方向上有着相同的速度。但它們和火箭的身體是分開的。所以沒有力(因為馬達)作用在它們上面。但火箭仍在加速,它的速度也仍在增加。因此,一段時間後,“地板”(即靠近馬達的牆壁)將超過這些球體並同時擊中它們。但一個釋放球體的觀察者會看到它們“墜落”到“地板”上,並同時擊中它。所以他將應用伽利略的自由落體定律來確認火箭內部有一個引力場。如果他不知道自己在火箭裏,他就會證實火箭還在地球上。因此,在加速或非慣性參考系(我們的火箭)內進行的觀測與在地球表面進行的觀測相同。

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所以等效原理(Principle of Equivalence)説(在我們加速火箭的情況下)觀測者無法區分他的火箭是在均勻的引力場中還是在加速的參考系中。愛因斯坦説,等效原理是物理學中的普遍原理,甚至光學和電磁現象都遵循這一原理。

讓我們在加速火箭裏做另一個實驗。

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在火箭的左壁裝上一個光源。如下圖所示,在左右牆之間安裝一系列熒光板。現在一個光源向右邊的牆發出一束光,我們想在火箭加速時用這些熒光板觀察光的路徑。

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P1,P2,P3P1,P2,P3代表熒光板。光束將在某個時間 t1t1 到達 P1P1 位置 l1l1 ,並在那裏產生熒光點。在時間 t2t2,它將在位置 l2l2擊中 P2P2。最後在 t3t3時,它會在底部碰到 P3P3。隨着火箭的加速,垂直距離l3l2l3l2將大於l2l1l2l1。時間間隔 t2t1t2t1和 t3t2t3t2相同。光的路徑是彎曲的(拋物線)。

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這裏,應用的邏輯與實驗中的邏輯相同,兩個球體“落”向“地板”並同時擊中它。假設我們的觀察者不知道他在火箭裏。所以他將確認他在地球表面,光束在引力場中彎曲。如果我們把等效原理作為物理學中的一般原理,那麼來自遙遠恆星的光經過太陽時也應該彎曲。這是愛因斯坦在1919年提出的,埃丁頓通過觀測日食附近恆星的位置證實了這一點。因此,引力場和加速系統的等價性被證明是正確的,光在引力場中是彎曲的。

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