光子无质量为何受引力影响？

光子作为一种无质量的粒子，却会在引力场中发生偏折和红移现象。这似乎与经典物理学中“只有有质量的物体才能受到引力作用”的直觉相违背。理解这一现象需要结合广义相对论的基本原理。

1. 引力对时空的作用

根据爱因斯坦的广义相对论，引力并不是通过传统意义上的“力”作用于物体，而是通过弯曲时空来影响物体的运动轨迹：

时空弯曲：广义相对论提出，质量和能量会使时空弯曲。物体在这些弯曲的时空中沿着“测地线”运动。

光子的路径：光子虽然没有静止质量，但它在弯曲时空中会沿着弯曲的路径传播。

2. 光子与能量的关系

尽管光子没有静止质量，它们携带能量和动量，而能量和动量也会对时空产生影响：

能量-动量张量：广义相对论中的爱因斯坦场方程表明，能量-动量张量是产生引力场的源头。光子的能量和动量同样会导致时空的弯曲。

引力红移和引力透镜效应：光子在强引力场中会发生频率变化（引力红移）和路径弯曲（引力透镜效应）。

3. 广义相对论的验证

广义相对论的多次验证表明，光在引力场中的行为符合相对论预言：

1919年日全食观测：爱丁顿领导的观测团队在日全食期间观察到，恒星光线经过太阳引力场时发生弯曲，验证了广义相对论的预言。

引力透镜：远处星系的光线经过大质量天体（如黑洞或星系团）时会发生弯曲，形成透镜效应。这为研究宇宙中暗物质分布提供了有力工具。

4. 数学形式与广义相对论

爱因斯坦场方程揭示了质量、能量和时空弯曲之间的关系。该方程表明，任何形式的能量和动量都会对时空结构产生影响。

结论

光子的无质量并不妨碍其受到引力的影响。通过广义相对论，我们理解了引力不是直接作用于质量，而是通过弯曲时空来影响所有在其中传播的物体，包括光子。这种理解不仅解释了光在引力场中的行为，还为我们提供了探索宇宙中更深层次物理现象的工具。

参考文献

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