为什么光会被黑洞的引力所吸引,即使它没有质量?

根据爱因斯坦的广义相对论,光线不会受到黑洞引力的吸引。

黑洞扭曲了它们周围的时空。光线沿着测地路径行进并在这个扭曲弯曲的时空中传播。

1911年,爱因斯坦预测,通过太阳引力场传播的光线会在引力场的方向上弯曲。真空中的光路不是直线,而是在重力场方向上弯曲的曲线。1911年以后,爱因斯坦用几何术语解释了这一点。我们将光线路径称为最直线或两点之间的最短距离:测地线或测地线。

而不是说光线是弯曲的,而是说时空是弯曲的,光线沿着测地线传播。光线沿着最短的距离传播,或者在弯曲的时空中围绕一个巨大的物体传播测地线。在广义相对论中,光(和自由落体)行进的时空由于巨大的物体的存在而弯曲。

因此,在黑洞圆盘的边缘附近,被黑洞的事件视界捕获的光线无法逃脱,我们看到一个黑暗的圆盘。然而,从事件视界进一步传播的光线在它们到达观察者之前多次螺旋,并且由于时空非常弯曲和扭曲,光线遵循“扭曲”(偏转)曲线。

Viktor T. Toth这个问题的答案与“由能量,动量,压力和剪切应力组成的应力 - 能量 - 动量张量”无关,并且:“实体不再仅仅以静止质量为特征; 张量的其他成分变得同样重要“。

戴尔格雷补充说(见下面的评论):

能量 - 动量张量与被问到的问题无关。能量 - 动量张量在场方程中作为非空空间中的引力源发生,并且与真空中的引力场中的粒子轨迹无关。例如,采用Schwarzschild度量,其中线元素来自真空场方程(零能量 - 动量张量),渐近平坦度,球对称性和静态场。测地线方程可用于确定行星轨道,并且不需要行星的能量 - 动量张量!

我写过(见下面的评论):

1938年,爱因斯坦提出了以下解释,这些解释体现了一个悖论。他认为这是一台巨大的电梯,它以恒定的力量向上拉,朝向建筑物的顶部。光线通过侧窗水平进入电梯,并在很短的时间后到达对面的墙壁。相信电梯加速运动的外部观察者会争辩说,光线进入窗口并沿着直线水平移动,以恒定的速度朝向相对的墙壁移动。但是电梯向上移动并且在光行进到墙壁的时间期间,电梯改变其位置。因此,射线将相对于电梯行进,而不是沿着直线而是沿着略微弯曲的线。内部观察者会说电梯没有加速运动,而只是引力场的作用。一束光是失重的,因此不会受到引力场的影响。如果光束在水平方向上发送,它将在与其进入的点完全相反的点处与墙壁相遇。

因此,我们有两个观察者和两个相反的观点。爱因斯坦以下列方式解决了有关光线的问题。根据内部观察者的说法,一束光是失重的,因此,引力场不会影响它。爱因斯坦证明,根据狭义相对论的观点,光束带来的能量和能量具有质量。但是每个惯性质量都被引力场吸引,因为惯性质量和引力质量是等价的,引力质量的增加等于E / c2,因此等于特殊相对论给出的惯性质量的增加。因此,光线具有非零的重力质量,因此不是失重的。

因此,如果在水平方向上以与光速度相等的速度投掷,光束将在重力场中弯曲。内部观察者的推理是不正确的,因为他没有考虑到重力场中光线的弯曲。通过考虑这种推理,内部观察者的结果将与外部观察者的结果完全相同。该结论所需的基本假设是引入等效原理的引力和惯性质量的等价性。

Gerard't Hooft和他的学生已经证明上述解释是矛盾的,因为它假设惯性质量和光的引力质量都不等于零!但是光的静止质量为零,以便以光速传播。

只要这个悖论仍然存在于经典的广义相对论中,那么为什么光被引力场吸引的标准解释就是我在这个答案中给出的那个(能量 - 动量张量与被问到的问题无关)。

到维克托·T.托特的答复(见下面的注释):

换句话说,就像我在我的回答中所说的那样,光的应力 - 能量 - 动量张量是非零的,并且正是通过这种张量,光与重力相互作用,正如1938年出版的爱因斯坦和内尔德所证实的那样。你引用了。

鉴于上述悖论和古典广义相对论,“为什么光被黑洞的引力所吸引,即使它没有质量”的问题的答案取决于仿射连接(Christoffel符号)

在测地方程中:

世界的光线是测地线的零世界线。

戴尔格雷补充说(见下面的评论):

光线的曲率来自测地运动定律。这个原则在爱因斯坦的论文“ 相对论的基础 ”第C节第13小节中阐述。有人指出,粒子经受无力运动,作为牛顿第一定律的推广。很明显,在那篇论文中,爱因斯坦意味着要说明非零质量粒子的运动定律。然而,将运动测地定律扩展到无质量粒子(例如光子)是合理的。在上述论文中,爱因斯坦对光线弯曲的推导利用了惠更斯原理而不是测地运动规律。尽管如此,相同的弯曲是由测地运动定律产生的。

关于 仿射联系爱因斯坦在1950年写给Max von Laue的一封信中解释道:

[...]从经验的角度来看,引力场存在的特征是[仿射连接的组成部分]的非消失,而不是[黎曼张量的组成部分]的非消失。如果一个人没有以这种直觉的方式思考,就无法理解为什么曲率之类的东西应该与引力有关。在任何情况下,没有理性的人会发生任何其他事情。理解引力和惯性质量平等的关键因素已经缺失。

(Stachel,John,“爱因斯坦如何发现广义相对论:一个具有当代道德的历史故事”,Einstein B to Z,2002)。

如果我们使用牛顿命名法,一个非常大的物体会在周围空间产生极强的引力场。光粒子会被这个引力场吸引,我们得到了悖论,没有光线偏转,因为时空不是弯曲的。

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