當光與引力相互作用時發(fā)生了什么事？

1783年，英國牧師約翰·米歇爾提出，被足夠大質量恒星的引力場抓住的光粒子會減速、停止并回落，因此他第一個預測了黑洞的存在。米歇爾就這個問題寫信給他的好朋友亨利·卡文迪許，卡文迪許遵循類似的推理來預測，當光粒子在經過一個大質量物體時，它的路徑會發(fā)生偏轉。

米歇爾和卡文迪許使用了同樣的假設來進行他們的計算，他們假設光可以減慢速度，并且光會像一個大質量物體那樣經歷重力。他們假設艾薩克·牛頓的萬有引力理論是正確的，光在響應牛頓引力時表現(xiàn)得像物質粒子一樣。但奇怪的是，盡管有這些不正確的假設，但這些人預測的效果已經證明是非常真實的。

我們現(xiàn)在知道，引力和光都比牛頓認為的怪異得多。廣義相對論表示，引力確實可以影響光，其方式與米歇爾和卡文迪許的預測非常接近。真正困難的部分是理解它的原因：當光與引力相互作用時發(fā)生了什么事？

引力紅移

在廣義相對論中，最好的起點始終是等效原理，這是愛因斯坦的偉大見解，我們無法區(qū)分加速度場和重力場。想象一下，我們正在一艘快速加速的火箭飛船中。在飛船前面，有一只巨大的外星生物，此時我們想發(fā)射激光將它殺死。雖然外星生物也跟著飛船在加速行進，但它觀察到的仍然是光速，因為光速對于所有觀察者來說都是不變的。

雖然光速不變，但光的波長會發(fā)生變化。波長是兩個波峰之間的距離，當外星生物接收到第一個波峰時，它又加速得更快了，因此接收到第二個波峰時走得更遠了，這就導致它觀察到的光的波長拉長了。等效原理告訴我們，如果在引力場中靜止，我們會經歷所有相同的物理過程。也就是說，從引力場中發(fā)出的光也會經歷引力紅移。

如果我們使用時間在引力場中運行緩慢的事實，我們會得到完全相同的預測。任何產生光子的過程都可以被認為是時鐘， 例如在發(fā)光的燈絲中來回振動的原子。這些運動的頻率決定了產生光子的頻率和波長。在引力場外看這些過程，這些時鐘運行得很慢，看起來運動頻率就會降低，因此從引力場中發(fā)出的光的頻率就會較低。如果引力體的密度足夠大，光的紅移就會足夠大甚至是無限的，這個引力體就是所謂的黑洞。

在黑洞的事件視界中，引力時間膨脹是如此之強，以至于時鐘停止，試圖逃逸的光子的頻率為零。奇怪的是，產生這種無限紅移所需的質量密度與光速剛好做圓周運動所需的質量密度完全相同，因此米歇爾根據完全錯誤的假設計算出一個正確的結果。

光線偏折

我們還是在加速的飛船上，這次外星生物在飛船的側邊，另一邊的激光器直接對準它發(fā)射激光。如果我們從船外非加速觀察者的角度來看，光在加速飛船上會沿著彎曲的路徑行進，所以激光不會打中外星生物。但是，從船上觀察者的角度來看，是因為加速度場的存在，使光線發(fā)生了偏折。同樣，等效原理告訴我們，在引力場中我們會看到同樣的場景。

在上面的描述中，我們使用引力時間膨脹來解釋光的引力紅移。那么，我們能否用它來解釋光線偏折呢？聰明的愛因斯坦想到了惠更斯原理。該原理表明，任何波都可以被描述為無限數(shù)量的點狀振蕩，每個振蕩都會產生新的波。這些新產生的波的干涉的總和，代表了原始波的演變方向。例如光在介質中的折射現(xiàn)象，如果我們用惠更斯原理，連接折射后的小波重建整體波前，就會發(fā)現(xiàn)光的路徑已經發(fā)生了折射。

我們知道，越靠近引力源的地方時間過的越慢。但是，對于我們來說，光速是恒定的，因此那些更靠近引力源的地方，點狀振蕩產生的波傳播的距離會更短。所以，如果我們連接這些小波并重建整體波前，也會發(fā)現(xiàn)光的路徑一直在發(fā)生偏折。

使用廣義相對論計算的光的偏折角是卡文迪許基于牛頓引力計算的偏轉角的兩倍。后來，愛丁頓利用非洲西海岸的日食，證實了愛因斯坦計算。

審核編輯：劉清