Question

光子没有质量为什么会被黑洞吸引？

Answer 1

“光子没有质量为什么会被黑洞吸引？”，光子虽然没有静质量，但是光子的传播依然逃脱不了时空的束缚，广义相对论认为，引力本质上可是看做是时空弯曲产生的几何效应，那么在时空中传播的光子必然会受到时空弯曲的影响。

现代科学认为，光子的静止质量是严格等于零的，随着这是一个科学假设，但光子静质量等于零这个条件确实现代物理学大厦的根基，如果光子的静止质量不为零，那么和其相关的基础物理量理论都将改写，比如我们常听到的麦克斯韦方程组、库仑定律等等。科学家为了证明这个假设的正确性，也进行了一系列的实验，其中最直接的办法就是给光子称重。科学家目前通过精密扭秤测得的光子质量上限为10*^-54kg，相信随着实验精确到的提高，该测量经过也会继续下降。

虽然理论上认为光子不具有静止质量，但是它具有动质量。通过质能方程E=MC²可知，质量与能量在本质上是一样的，一定的质量对应一定的能量，反之亦然，而光子的能量和其频率呈正相关，既光子能量E=hv，其中h代表普朗克常量，而v代表光子频率，再结合质能方程E=MC²，可得M=hv/C²，由此可知光子的动质量与光子的频率呈正相关。

在经典物理学中，我们常用万有引力定律F=GMm/r²来计算物体之间的引力大小，但是这明显不适用于光子与黑洞之间的引力计算，因为公式中的质量m代表的是物体的静质量，而光子的静止质量却为零，按此计算，光子应该是不受引力束缚的，但这明显不符合观测事实。同样，如果我们将光子的动质量代入公式中，会发现光子的运行轨道也不符合观测数据，比如水星的近日点进动问题。

随着爱因斯坦相对论的问世，科学家对引力有了更深层次的认识，通常我们将其理解为时空弯曲所带来的几何效应。结合本题，由于“路”是弯曲的，所以在“路”上奔跑的光子的轨迹也就是弯曲的，而“路”弯曲的原因，可以认为是被黑洞“压弯了”。

广义相对论一经提出，在科学家就引起了巨大反响，科学家迫不及待的通过各种试验手段来检测它的正确性，其中爱因斯坦也提出过三种试验方法，既引力红移、水星近日点进动和光线偏折，这些试验后来均得到科学家的验证。

1859年，法国科学家奥本·勒维耶通过天文观测发现，当水星运行到近日点时，其实际运行轨道与通过引力定律推算的轨道存在偏差，其偏差程度大约每世纪增加43弧秒，为了解释这个现象，科学家认为在距离太阳更近的轨道上存在着一颗行星，由于该行星引力影响，水星的运行轨道在近日点时总会出现进动现象，甚至科学家还将这颗设想中的行星命名为祝融星，但是在随后几十年的天文观测中，科学家并没有发现祝融星的存在。直到1915年，广义相对论提出后，科学家通过计算发现，水星的近日点进动现象其实是由太阳造成的时空畸变所产生。因此，在对引力本质的认识上，广义相对论要更进一步。

在本题中，虽然光子没有静止质量，但是依然会表现出被引力源吸引的现象，这正是时空弯曲的表现。类似的情况我们可以参考“引力透镜”现象，我们知道引力透镜是由于大质量天体对光线的偏折作用所产生，其偏折角度θ=4GM/（rc²），其中G表示引力常量、M表示引力源质量、r表示光线与天体的距离、c表示光速，由公式可知，引力源对光线的偏折角度与光子的质量无关，仅和引力源的质量以及光线与引力源的距离有关。这从侧面证明了，虽然光子没有静质量，但是依然会受到引力场的束缚。

由上文可知，万有引力定律有其适用范围，在对引力本质的认识上，广义相对论则更进一步，正是由于黑洞“压弯”了周围的时空，运行在附近时空的光子才会改变轨迹，表现为被黑洞吸引。

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1.光子不是没有质量，而是没有静止质量，但是有运动质量。（光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有能量、动量、质量——光子百度百科）

2. 黑洞是广义相对论的产物，你所说的“吸引”是经典力学万有引力的产物，不同的理论体系，一般不这样提问。你想说的应该是“光子为啥不能从黑洞中逃逸”

3. 这个问题万有引力已经不能回答了，只能用广义相对论来回答，在广义相对论中已经彻底抛弃力的概念。广义相对论可以总结为2句话： 物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

4. 简单来解释来说：

因为黑洞的质量巨大，导致黑洞周边的时空弯曲—— 即物质告诉时空如何弯曲。

时空弯曲导致所有物质（包括光）的运行轨道也扭曲，比如你跑步的直线跑道被扭曲成了学校的圆圈跑道。因为跑道是弯曲的，所以你跑的再快也一直在转圈。

光也是一样，它在黑洞内部扭曲的时空内不停的转圈而无法逃逸出“跑道”—— 即时空告诉物质如何运动。

光子真的没有质量吗?事实上，并非如此。

我们常常把能量和质量撕裂开来看，但这个观念并不是很正确。比如：我们常常会说的是，原子弹爆炸，质量转化为能量。不知道你想过没有，在很多人眼里，能量是个东西，但是质量也是个东西吗？如果把能量看成一个东西，非要一一对应的话，能量好像对应物质更加合适的。

说到这里，你可能会的有点混乱了。是的，其实问题就出在这里，能量，质量，物质，他们之间到底是什么关系？

之所以搞不清楚，只因为我们没有把它们定义好，没有定义也就无法分类。科学界的祖师爷之一的牛顿就深谙此道，在他的著作《自然哲学的数学原理》中，整本书中最前面的一部分，他都在下定义。

我们现在要搞清楚质量和能量之间是什么关系，才能进一步探讨光子的质量问题。关于这个问题，其实目前最主流的观念来自于爱因斯坦的狭义相对论。在1905年，爱因斯坦发表了4篇具有开创性的论文，其中第三篇被我们称为狭义相对论。后来，过了两个月，他又发了一篇论文，这一篇是对狭义相对论的补充，内容就是探讨质量和能量之间关系的。我们后来也把这部分称为 质能等价 。

在质能等价这篇论文中，爱因斯坦开头就写到一段话，翻译过来就是：