學(xué)過物理的可能知道，光子沒有靜止質(zhì)量，按照牛頓的萬有引力定律，光是不可能被黑洞吸引的。那為什么黑洞可以吸引附近的光呢？

●先來認(rèn)識光

光是我們認(rèn)識世界的信使。光是物理學(xué)中討論最多的對象之一，從牛頓的微粒說與惠更斯的波動(dòng)說開始，關(guān)于光的本質(zhì)的爭論持續(xù)了上百年。之后，麥克斯韋統(tǒng)一了光和電，證實(shí)了光也是電磁波，電磁波也是以光速傳播的。真空中的光速不僅是宇宙中最快的速度，還是物體運(yùn)動(dòng)速度的極限。

 20世紀(jì)初愛因斯坦提出了光量子的概念，以此為基礎(chǔ)解釋了光電效應(yīng)，因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光具有波粒二象性，光既可以看作粒子，又可以看作波。德布羅意發(fā)現(xiàn)不僅光具有波粒二象性，電子等微觀粒子也具有波粒二象性，比如光會(huì)發(fā)生衍射，電子也同樣會(huì)發(fā)生衍射。從波的角度來看，光就是電磁場的波動(dòng)。

上圖為電子衍射照片

進(jìn)入量子力學(xué)的世界后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光子還有一個(gè)重要的作用，就是充當(dāng)電磁力（或電磁相互作用）的媒介粒子，粒子之間通過交換虛光子傳遞電磁相互作用。

●光有沒有質(zhì)量？

經(jīng)嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光是沒有質(zhì)量的，嚴(yán)格來說沒有靜止質(zhì)量。自然界中除了光子，傳遞強(qiáng)力的膠子也是沒有靜止質(zhì)量的。

不過光卻擁有能量，光所攜帶的能量的大小與它的頻率有關(guān)，頻率越高，光的能量越大。即E=hv，其中h為普朗克常數(shù)，v表示光的頻率。此外光的頻率越高，光的粒子性就越顯著。

愛因斯坦從狹義相對論中推導(dǎo)出的質(zhì)能方程告訴我們：質(zhì)量和能量是物體同一性質(zhì)的兩個(gè)不同度量方式，能量和質(zhì)量是高度統(tǒng)一的，有能量的物體便具有質(zhì)量，有質(zhì)量的物體也擁有能量。根據(jù)質(zhì)能方程E=mc^2，便可推導(dǎo)出光的質(zhì)量為hv/c^2，光的這種質(zhì)量被稱之為動(dòng)質(zhì)量或者相對論質(zhì)量。

按照相對論的描述，物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，其所具有的動(dòng)能也就越大，相應(yīng)地質(zhì)量也會(huì)越大。不過，只有當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近于光速時(shí)，其質(zhì)量才會(huì)發(fā)生明顯的改變，在低速狀態(tài)下這種改變可以忽略。正是因?yàn)楣庾拥撵o止質(zhì)量為0，光從誕生之時(shí)就以光速運(yùn)動(dòng)，不需要加速。而當(dāng)物體有靜止質(zhì)量時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速，質(zhì)量就會(huì)變得無窮大，顯然物體的運(yùn)動(dòng)速度必然不能達(dá)到甚至超越光速。

上圖為相對論質(zhì)增效應(yīng)公式

因?yàn)楣鉀]有靜止質(zhì)量，只有能量，我們經(jīng)常將光當(dāng)做純能量物質(zhì)看待，光就是能量的載體。例如：正電子和負(fù)電子發(fā)生湮滅反應(yīng)會(huì)百分百轉(zhuǎn)化為能量，這里的能量其實(shí)就是光，正反電子湮滅后會(huì)轉(zhuǎn)化為光子。太陽會(huì)發(fā)光發(fā)熱，太陽的光和熱就是通過電磁輻射的形式傳到地球上的，也就是光。通常我們所說的光是指可見光，其它頻段的電磁波也可以稱之為光。

綜上所述，我們可以認(rèn)為光是有動(dòng)質(zhì)量的。

●光為何會(huì)被黑洞吸引？

上面已經(jīng)說過了，光具有動(dòng)質(zhì)量，那么是不是就可以利用萬有引力來解釋呢？

動(dòng)質(zhì)量這一概念確實(shí)可以解釋光為什么能夠被黑洞吸引，但卻存在局限性。一般而言，光在真空中是沿直線傳播的，當(dāng)光線被黑洞吸引時(shí)便會(huì)發(fā)生偏折。經(jīng)典力學(xué)也能預(yù)測到這一現(xiàn)象，但對偏折角的估計(jì)卻并不準(zhǔn)確。要想精確，就需要采用更完善的理論，相對論力學(xué)便是目前認(rèn)為最完善的理論。

根據(jù)相對論的預(yù)測，當(dāng)光線經(jīng)過太陽附近時(shí)，在太陽的引力作用下，光會(huì)產(chǎn)生輕微的偏折，計(jì)算出的光線偏折角為1.75角秒，而根據(jù)牛頓引力理論計(jì)算出來的偏折角則為0.87角秒。在20世紀(jì)初，由愛丁頓等人領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)對此現(xiàn)象進(jìn)行了多次測量，精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：愛因斯坦是對的！

在相對論中，愛因斯坦拋棄了牛頓的引力觀點(diǎn)，或者說不需要引力這個(gè)概念了。愛因斯坦引入了空間彎曲的概念，認(rèn)為引力的本質(zhì)實(shí)際上是空間彎曲。質(zhì)量越大的物體，對空間的彎曲程度也就越大。

 如圖所示，空間彎曲導(dǎo)致的光線偏折現(xiàn)象

通常我們認(rèn)為光是沿直線傳播的，實(shí)際上光是沿空間中的測地線（兩點(diǎn)之間最短距離）傳播的。當(dāng)空間被彎曲，光也就只能跟著走曲線，于是在我們看來光就被黑洞吸引了。實(shí)際上它們之間并不存在力的作用，在此基礎(chǔ)上，光有沒有動(dòng)質(zhì)量也就無所謂了。光線被恒星偏折時(shí)，偏折角只與恒星的質(zhì)量有關(guān)，與光的動(dòng)質(zhì)量無關(guān)。

黑洞是一個(gè)神秘的天體，因?yàn)楹诙幢砻妫ㄒ暯缑妫┑奶右菟俣却笥诠馑?，?dāng)光闖進(jìn)黑洞里面就再也出不來了，因此用傳統(tǒng)天文觀測方法是看不見黑洞的，需要用到引力波。理論猜測，黑洞中心有一個(gè)密度無限大、體積無限小的奇點(diǎn)。在人類還沒有發(fā)現(xiàn)黑洞之前，科學(xué)家就從相對論中推導(dǎo)出了黑洞的存在，黑洞內(nèi)部的空間被無限彎曲，時(shí)空曲率無限大。

如圖所示，黑洞對空間的彎曲程度極大

實(shí)際上，任何有質(zhì)量的物體都能夠使空間彎曲，不過只有像太陽、黑洞這樣的大質(zhì)量天體才能夠使空間產(chǎn)生較大的彎曲效果，人類才能夠發(fā)現(xiàn)光線偏折現(xiàn)象。在我們看來，光被這些強(qiáng)引力源吸引了。

如圖所示，光掉進(jìn)了黑洞

●結(jié)語

由此可見，不管光有沒有質(zhì)量，都會(huì)被黑洞吸引，因?yàn)楹诙粗車臅r(shí)空彎曲的很厲害，以至于連光也要走曲線。

通過這個(gè)問題，讓大家認(rèn)識到了相對論力學(xué)為什么比經(jīng)典力學(xué)更加完善。傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)具有局限性，只適用于低速、弱引力場下的宏觀運(yùn)動(dòng)，要想準(zhǔn)確描述高速、強(qiáng)引力場下的情況，就需要相對論出馬了。