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光子没有质量时,光怎么可能被弯曲呢?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-04-02 09:21:36

这是一个特别有趣和令人愉快的问题。让物理变得有趣的原因之一是解决任何问题的不同方法,这些方法看似彼此不一致,但结果却是相同的。这个问题有各种各样的答案,这些答案看似各不相同,但最终的结果是一样的。

与黑洞场相比,下面的解释主要是针对弱引力场的,因为恒星光的弯曲是在太阳系中测量到的一种现象,按照上述标准,那里的场是弱的。在黑洞附近,“弯曲”是一个太简单的概念来描述光的行为。


具有狭义相对论的经典引力场中的粒子


这就是提问者脑海中的画面。我们可以把光想象成牛顿引力场中的粒子,如果我们引入特殊的(但但我们不需要广义的)相对论,就能得到与观测结果一样准确的答案。

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,能量的作用就像质量一样,其转换因子为c2,其中c是普遍不变的速度,以真空中的光速为例。仅从这个事实,我们就可以推理出,根据牛顿万有引力和力学,光应该像物质粒子以光速运动一样发生偏转。

闵可夫斯基的四维时空,狭义相对论的几何表示告诉我们动量也像质量一样作为力的源项,其转换因子为c。爱因斯坦相对论告诉我们一个物体有能量。

光子没有质量时,光怎么可能被弯曲呢?

其中,E是它的能量,p是它的动量,m是它的质量(更确切地说,是它的“静止”质量,如果你考虑到现在已经废弃的“相对论”质量的概念)。正如问题正确指出的,光子没有质量,所以动量×c等于能量;同样,动量/c有质量作为源项的影响。

这意味着引力是能量的两倍,所以我们预计在引力场中光子的偏差是牛顿引力理论预测的两倍。这确实是观察到的情况。

上述推理仅在弱场的近似情况下是正确的。在与黑洞相关的领域,情况就复杂多了。


广义相对论引力场中的粒子


广义相对论指出,闵可夫斯基的四维时空几何代表了在没有引力场的情况下的时空。质量、能量和动量,如上面所讨论的,以及应力,驱动了闵可夫斯基几何的变化。虽然闵可夫斯基的基本几何理论保持不变,但时空中距离的定义却在改变。

在弱场中,变化最大的是距离定义的时间分量,因为在闵可夫斯基的表述中,质量、能量和动量直接作用于距离定义的时间分量。它们对距离空间分量的影响是高阶效应,因此在讨论星光的弯曲时可以忽略不计。

距离的定义沿时间方向的变化的影响是,时间过得越慢,在引力场中发生的事件越深。这种差异不会影响一个局部观测者观察到的事件,因为观测者在同一场中,但会影响一个观测者在重力场中较高或较低位置观察到的事件。

广义相对论将在重力场中运动的物体视为没有外力作用于其上,并按照时空的几何形状运动。就我们的目的而言,主要的影响是时间流逝速度的改变。


局部力(哈密顿力学)


即使是质点也对其周围场的梯度敏感。即使在经典物理学中,点粒子也会受到与势场梯度相对应的力。根据哈密顿力学,时间流逝速率的梯度等于势能的梯度。因此,即使在广义相对论中,在弱场近似中,我们也可以认为光子受到力的偏转。


路径长度的最小化(拉格朗日力学)


根据拉格朗日力学,物体在任意两点之间,在任何相关空间中,在路径上运动,使路径上的“动作”总量最小化(很少是最大化)。这里我们不需要定义作用的概念,只需要知道,在物体上没有力的情况下,作用与路径长度成正比。

因为时间流动的更快更远从源的引力场,两点之间的最短路径在其附近背离这两点之间的直线,由弯曲,这些点之间的路径移动远离的来源,在时间的流逝得更快。这种描述与指向场源的路径弯曲相同。


局部推进(哈密顿与拉格朗日力学等价,变分演算)


因为在引力场中任何地方的物体在局部都经历着相对简单的闵可夫斯基几何,而引力场被广义相对论所表示,被认为是没有力的,一个光子通过引力场时只是一直向前移动。

然而,根据一个遥远的观察者,如一个测量恒星的视位置的天文学家,由于时间流逝速率的梯度,光子在场中的深度部分比在场中的高部分移动得更慢。因此,当光子在其局部时空中直线向前移动时,观察者观察到一条指向引力场源的弯曲路径。

它和前面的图等价,也就是路径长度的最小化,是一些有趣的数学方法的结果,叫做变分演算。一般来说,这样的分析将沿路径的积分最小化问题与沿路径上每一点的微分方程联系起来。这一分析表明拉格朗日力学和哈密顿力学是等价的。对于路径长度本身最小的特别简单的情况,相应的微分方程是一个简单的微分方程,这意味着总是根据局部坐标直线前进。

例如,如果一只蚂蚁走过马鞍,小心地向前移动,蚂蚁会沿着一条弯曲的路径。如果有人拉紧蚂蚁路径上任意两点之间的绳子,只要绳子在两点之间一直与鞍座接触,绳子就会与蚂蚁的路径重合。

(蚂蚁的路径会从马鞍的中心弯曲。一个中心的引力场更像一个土丘而不是一个马鞍,所以读者可能喜欢想象在土丘上拉伸一根绳子,一只蚂蚁在上面笔直行走,以看到蚂蚁的路径向场地中心弯曲。)


如何遵循上述处方(量子力学)


读者可能已经注意到,在上述涉及广义相对论的解释中,渗透着一个基本的、无法解释的主题。在这些描述中,即使一个粒子在穿越时空的路径上,在每一瞬间只在时空中的一个点上,它也会受到远离其路径的场的特性的影响。

在局部力模型中,力来自于距离作为时空位置函数的定义中的梯度。梯度的定义涉及到一个点附近的场,而不仅仅是这个点。

在这个与骑在马鞍上的蚂蚁的类比中,重要的一点是,蚂蚁的腿向两侧伸出,这样当两边的腿匀速移动时,它们就能指示出一条笔直前进的道路。即使所有的六条腿都在空间的路径上,它们也必须在不同的时间点来决定局部的直线路径。

在拉格朗日模型中,光子(或其他物体)对时空中两点之间所有可能路径的长度具有超自然的感知能力,因为它能准确地选择最短路径。一个物体似乎会受到横跨整个宇宙的一系列地点的条件的影响,即使它只有一个地点。

麦克斯韦方程是Schrödinger光子方程。(Schrödinger方程经常被误称为“波动方程”,但对于光子来说,它确实是波动方程。)

根据麦克斯韦/Schrödinger的方程,来自光子源的波在整个宇宙中到处传播,尽管会因距离和衍射而衰减。根据惠更斯原理,波中的每一点都是向各个方向发散的新波的源头。

光子没有质量时,光怎么可能被弯曲呢?

惠更斯原理用一个积分方程来表示,这个积分方程在数学上等同于麦克斯韦方程。

产生的波一直在同一波前运动,而不受其他散射波前的影响,其原因是所有其他方向的扰动加起来形成了均匀的相位分布。这种均匀的相位扩展使振幅为零。

这种结构对于寻找最短路径的重要性在于,正如变分法所示,如果某条路径是两点之间最短或最长的路径,那么其他路径的长度与之稍有不同,但几乎完全相同。如果一条路径既不是最短的也不是最长的,那么相同的偏离会比最短或最长的路径造成更大的长度变化。

前面的非数学解释使用模糊的词语。从数学上讲,如果偏差来自于极值路径,波长对偏差量的依赖关系是二阶的,如果偏差来自非极值路径,则是一阶的。这就是为什么,当光在宇宙中穿过每一条路径时,在极值路径附近有一个最大振幅,而其他路径的振幅可以忽略不计。

与光子对应的波可以沿着各种随机路径运动。然而,只有在最短路径或接近最短路径的路径到达终点时,其阶段只有轻微的不同。因此,它们加起来,光子沿着这条路径运动的概率就很大。

弯曲的解释如下:
 
  1. 局部观察者:在引力场中波的深度对应于光子从引力场中获得能量。能量增益对应于更高的频率,因此波长更短。不同的波长使波前向引力场的源方向弯曲。
  2. 远程观察者:波前的频率在任何地方都是相同的,因为波前以相同的速率进出每个概念空间。然而,因为时间在重力场深处较慢,光在重力场深处的速度也较慢。引力场源附近的延迟使波长以同样的频率变短,因此使光向它弯曲。

以上是关于光如何被引力弯曲的五种不同解释,而不需要光子有质量。所有这些解释都是等价的,直到实际观测到的星光弯曲的精度,如果你遵循所有的数学关系。
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