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光沒(méi)有質(zhì)量,為什么引力可以彎曲光?愛(ài)因斯坦如何解釋等效原理?

2023-05-13 19:42 作者:淺醉蘇生  | 我要投稿

引力透鏡是一個(gè)非常重要的引力特性,引力透鏡的原理其實(shí)就是光在經(jīng)過(guò)引力場(chǎng)時(shí)被彎曲的現(xiàn)象。在我們的理解中,引力可以對(duì)有質(zhì)量的物體產(chǎn)生作用,比如我們被地球引力束縛在地球上,怎么跳都會(huì)掉落下來(lái),這就是引力產(chǎn)生的重力作用。但光卻不一樣,光沒(méi)有質(zhì)量,理論上光應(yīng)該是不會(huì)被引力影響的。

廣義相對(duì)論中對(duì)引力透鏡有一定的解釋?zhuān)以诤髞?lái)的日食中得到了證實(shí)。證實(shí)原理非常簡(jiǎn)單,當(dāng)發(fā)生日食的時(shí)候天空就是一片黑暗,看向太陽(yáng)的位置理論上看不到被太陽(yáng)擋住的星星,可是當(dāng)我們抬頭看太陽(yáng)的邊緣區(qū)域時(shí)卻看到了原本應(yīng)該被太陽(yáng)擋住的星星,這說(shuō)明星星射過(guò)來(lái)的光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)時(shí)被彎曲繞過(guò)了太陽(yáng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很重要,因?yàn)檫@證明了光在宇宙的傳播路徑會(huì)被引力影響而發(fā)生彎曲。

這其實(shí)就是愛(ài)因斯坦提出等效作用的重要依據(jù),我們雖然知道引力對(duì)光產(chǎn)生影響,卻不知道為什么會(huì)影響。愛(ài)因斯坦的思考就非常獨(dú)特,我們?cè)诘厍蛏鲜艿搅艘粋€(gè)G的重力,但如果我們?cè)跊](méi)有引力干擾的太空中,當(dāng)我們站在一個(gè)封閉的盒子里,這個(gè)盒子以一個(gè)G的加速度自下往上進(jìn)行加速時(shí),我們同樣會(huì)被按在地板上,而我們感受到的是一個(gè)G向下的力。但這個(gè)盒子并沒(méi)有重力,讓我們感受到的一個(gè)G的力完全是加速效果造成的。說(shuō)明加速運(yùn)動(dòng)和重力其實(shí)是等效的。

如果在這樣的等效加速中,我們向前扔一顆石子,因?yàn)楹凶舆€在向上加速,石子會(huì)有一個(gè)向前的力和向下的力,在盒子里看的話(huà),石子會(huì)形成一個(gè)拋物線(xiàn)的向下落體運(yùn)動(dòng),和站在地球扔石子的效果是一樣的。同理,當(dāng)我們用一束光向前照射,由于盒子向上加速運(yùn)動(dòng),在盒子里看起來(lái),光也會(huì)出現(xiàn)同樣的拋物線(xiàn),會(huì)向下彎曲。不過(guò)由于射出的光水平方向的速度是光速,而盒子只有一個(gè)G的加速度,所以必須是盒子足夠長(zhǎng)才能看到這個(gè)彎曲效果。

等效原理其實(shí)就是愛(ài)因斯坦對(duì)引力的解釋?zhuān)覀冊(cè)诩铀俚暮凶又泻芎美斫鉃槭裁垂鈺?huì)彎曲,但當(dāng)光經(jīng)過(guò)引力場(chǎng)時(shí),引力源并沒(méi)有運(yùn)動(dòng)也能彎曲光線(xiàn),這就是等效原理。原因就是引力場(chǎng)會(huì)彎曲空間,而光是直線(xiàn)傳播,在經(jīng)過(guò)彎曲空間時(shí)最短的路徑其實(shí)就是被彎曲的路徑,所以在光看來(lái)它走的是直線(xiàn),在我們看來(lái)光被彎曲了。等效原理也等于解釋了引力的原理,加速飛行的盒子在空間中發(fā)生了位移,在密封的盒子中看來(lái),其實(shí)就是空間在大范圍彎曲,所以引力的來(lái)源就是空間彎曲的結(jié)果。

那么我們來(lái)理解一下為什么引力會(huì)彎曲空間。在那個(gè)密封的盒子向上加速的過(guò)程中,當(dāng)水平射出一束光的時(shí)候,這一束光并不會(huì)改變路徑,它仍然朝著原來(lái)的路徑傳播,但盒子卻在向上加速,不看盒子外,只看盒子內(nèi)部就會(huì)發(fā)現(xiàn),盒子內(nèi)部的空間其實(shí)已經(jīng)向下彎曲,但光并沒(méi)有改變路徑仍是順著原有路徑傳播,但在我們看來(lái)盒子內(nèi)的空間由于發(fā)生了加速,空間一樣向下彎曲了。

加速度會(huì)產(chǎn)生等效于重力的作用,由于重力是引力的結(jié)果,同理引力也會(huì)產(chǎn)生等效的加速度作用。加速產(chǎn)生了空間彎曲的效果,而相反空間彎曲同樣會(huì)產(chǎn)生加速度的效果,所以這就是為什么愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力是空間彎曲的原因。那么,引力其實(shí)不是什么所謂的引力因子形成的,也并不是力,而是空間彎曲的效果。我們其實(shí)就相當(dāng)于在那個(gè)盒子里,在我們看來(lái),引力就是一種力,而如果你站在盒子之外再去看,引力并不是力,只是彎曲了空間而已。



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