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光子到底有没有质量？ 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，你可能会得有点混乱了。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： 假如有一个物体以辐射形式发射能量L，它的质量就会减少L/c^2。 爱因斯坦其实构建了能量和质量的等价关系，而且用的就是大名鼎鼎的质能方程E=mc^2。通过爱因斯坦的这篇论文，我们可以知道一件事情。那就是质量和能量其实是一回事，它们是一个东西的两个面，有质量就有能量，有能量就有质量。有一些人甚至提出这样的观点，所谓的物质其实就是极度压缩的能量，所以物质也是有能量（物质肯定也是有质量的）。 我们来看看光，光是具有能量，因此，光也应该是质量的，我们可以通过质能方程得到光的质量。如果是这样的话，其实我们就可以利用牛顿定律来求解的。 牛顿定律 而如何从牛顿定律来理解光被黑洞所吸引呢？ 其实我们用牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》中提到的一个思想实验来讲述。这个思想实验也被称为牛顿大炮。这里我们有个前提要明确，虽然我们看到大地是平的，但实际上大地是曲的，这是因为地球是球状的。只不过地球足够大，所以从小尺度上看，大地近似于平直的。 知道这点之后，我们假设有一个理想的大炮，这时候朝着前方打出一个炮弹，一般来说，这个炮弹就会打出一条抛物线。 如果我们让大炮打出的炮弹速度足够快，达到抛物线竖直方向下落的程度恰好和地面下落的弧度一致，这个时候炮弹就会绕着地球转了。现在我们也把能够绕着地球转的速度称为第一宇宙速度，这个速度是7.9km/s。 如果我们把炮弹的速度达到足够快，炮弹就可以摆脱地球的引力，我们也把这个速度称为第二宇宙速度，这个速度是11.2km/s。 我们要知道的是，不同的天体是拥有不同的宇宙速度。而黑洞其实就是第二宇宙速度远远大于光速的天体，这就会使得连光都无法摆脱黑洞的引力。而宇宙中物质、信息、能量的最快速度就是光速。因此，所有的物质都无法逃脱黑洞的魔爪。 广义相对论 不过，其实黑洞周围属于强引力场。牛顿的理论在强引力场的描述并不如广义相对论的准确。在广义相对论中，爱因斯坦提出了一套全新的引力引论。他认为并不存在所谓的引力。引力现象之所以会存在，是因为大质量的天体弯曲了周围的时空。 小质量的天体实际上是沿着时空的测地线在运动。这里的测地线有点类似于二维平面中的“直线”。也就是说，天体其实是遵循着牛顿第一定律的。比如，月球之所以绕着地球运动，实际上是因为地球压弯了周围的时空，月球沿着时空的测地线在运动。 在广义相对论中，黑洞其实就属于一种极端扭曲了时空的天体，这就会使得周围的物体沿着测地线的方向运动时，就会直接掉到黑洞当中。所以，我们发现无论光子有没有质量，其实在广义相对论的框架内，它都会掉落到黑洞当中。 |
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