光没有质量，为何会被黑洞吸引？

学过物理的可能知道，光子没有静止质量，按照牛顿的万有引力定律，光是不可能被黑洞吸引的。那为什么黑洞可以吸引附近的光呢？

●先来认识光

光是我们认识世界的信使。光是物理学中讨论最多的对象之一，从牛顿的微粒说与惠更斯的波动说开始，关于光的本质的争论持续了上百年。之后，麦克斯韦统一了光和电，证实了光也是电磁波，电磁波也是以光速传播的。真空中的光速不仅是宇宙中最快的速度，还是物体运动速度的极限。

       

     

 20世纪初爱因斯坦提出了光量子的概念，以此为基础解释了光电效应，因此获得了诺贝尔物理学奖。后来科学家发现，光具有波粒二象性，光既可以看作粒子，又可以看作波。德布罗意发现不仅光具有波粒二象性，电子等微观粒子也具有波粒二象性，比如光会发生衍射，电子也同样会发生衍射。从波的角度来看，光就是电磁场的波动。

       

     

上图为电子衍射照片

进入量子力学的世界后，科学家们发现光子还有一个重要的作用，就是充当电磁力（或电磁相互作用）的媒介粒子，粒子之间通过交换虚光子传递电磁相互作用。

●光有没有质量？

经严格的科学实验证实，光是没有质量的，严格来说没有静止质量。自然界中除了光子，传递强力的胶子也是没有静止质量的。

不过光却拥有能量，光所携带的能量的大小与它的频率有关，频率越高，光的能量越大。即E=hv，其中h为普朗克常数，v表示光的频率。此外光的频率越高，光的粒子性就越显著。

爱因斯坦从狭义相对论中推导出的质能方程告诉我们：质量和能量是物体同一性质的两个不同度量方式，能量和质量是高度统一的，有能量的物体便具有质量，有质量的物体也拥有能量。根据质能方程E=mc^2，便可推导出光的质量为hv/c^2，光的这种质量被称之为动质量或者相对论质量。

       

     

按照相对论的描述，物体的运动速度越快，其所具有的动能也就越大，相应地质量也会越大。不过，只有当物体的运动速度接近于光速时，其质量才会发生明显的改变，在低速状态下这种改变可以忽略。正是因为光子的静止质量为0，光从诞生之时就以光速运动，不需要加速。而当物体有静止质量时，运动速度达到光速，质量就会变得无穷大，显然物体的运动速度必然不能达到甚至超越光速。

       

     

上图为相对论质增效应公式

因为光没有静止质量，只有能量，我们经常将光当做纯能量物质看待，光就是能量的载体。例如：正电子和负电子发生湮灭反应会百分百转化为能量，这里的能量其实就是光，正反电子湮灭后会转化为光子。太阳会发光发热，太阳的光和热就是通过电磁辐射的形式传到地球上的，也就是光。通常我们所说的光是指可见光，其它频段的电磁波也可以称之为光。

综上所述，我们可以认为光是有动质量的。

●光为何会被黑洞吸引？

上面已经说过了，光具有动质量，那么是不是就可以利用万有引力来解释呢？

动质量这一概念确实可以解释光为什么能够被黑洞吸引，但却存在局限性。一般而言，光在真空中是沿直线传播的，当光线被黑洞吸引时便会发生偏折。经典力学也能预测到这一现象，但对偏折角的估计却并不准确。要想精确，就需要采用更完善的理论，相对论力学便是目前认为最完善的理论。

根据相对论的预测，当光线经过太阳附近时，在太阳的引力作用下，光会产生轻微的偏折，计算出的光线偏折角为1.75角秒，而根据牛顿引力理论计算出来的偏折角则为0.87角秒。在20世纪初，由爱丁顿等人领导的科学团队对此现象进行了多次测量，精确的实验结果表明：爱因斯坦是对的！

       

     

在相对论中，爱因斯坦抛弃了牛顿的引力观点，或者说不需要引力这个概念了。爱因斯坦引入了空间弯曲的概念，认为引力的本质实际上是空间弯曲。质量越大的物体，对空间的弯曲程度也就越大。

       

     

 如图所示，空间弯曲导致的光线偏折现象

通常我们认为光是沿直线传播的，实际上光是沿空间中的测地线（两点之间最短距离）传播的。当空间被弯曲，光也就只能跟着走曲线，于是在我们看来光就被黑洞吸引了。实际上它们之间并不存在力的作用，在此基础上，光有没有动质量也就无所谓了。光线被恒星偏折时，偏折角只与恒星的质量有关，与光的动质量无关。

黑洞是一个神秘的天体，因为黑洞表面（视界面）的逃逸速度大于光速，当光闯进黑洞里面就再也出不来了，因此用传统天文观测方法是看不见黑洞的，需要用到引力波。理论猜测，黑洞中心有一个密度无限大、体积无限小的奇点。在人类还没有发现黑洞之前，科学家就从相对论中推导出了黑洞的存在，黑洞内部的空间被无限弯曲，时空曲率无限大。

如图所示，黑洞对空间的弯曲程度极大

实际上，任何有质量的物体都能够使空间弯曲，不过只有像太阳、黑洞这样的大质量天体才能够使空间产生较大的弯曲效果，人类才能够发现光线偏折现象。在我们看来，光被这些强引力源吸引了。

       

     

如图所示，光掉进了黑洞

●结语

由此可见，不管光有没有质量，都会被黑洞吸引，因为黑洞周围的时空弯曲的很厉害，以至于连光也要走曲线。

通过这个问题，让大家认识到了相对论力学为什么比经典力学更加完善。传统的经典力学具有局限性，只适用于低速、弱引力场下的宏观运动，要想准确描述高速、强引力场下的情况，就需要相对论出马了。