最早人类对于引力的理解是牛顿的万有引力,两个物体会互相吸引,跟物体间的距离和物体的质量大小有关。引力和光扯上关系是源于《广义相对论》,爱因斯坦描述了引力其实是时空扭曲的产生的现象,并非是力的作用,约翰·惠勒,解释时空几何时说:
“质量告诉时空如何弯曲,时空告诉质量如何运动。”
1919年,爱丁顿团队拍摄了日食太阳的照片,发现了星光偏转证实了广义相对论。太阳背后的星光,路过了由于太阳质量扭曲的时空,发生了角度的偏转,星光表述的星系位置与实际位置不符,就如同放在水中的筷子,好像发生了弯折。
所以不能说能让光发生弯曲的引力有多大,而是说让光发生弯曲的时空扭曲曲率需要多大。
等效原理
光线在引力场中弯曲源于《广义相对论》,而《广相》又基于《等效原理》,等效原理其实就是一个在电梯称体重的故事。
当我们进入电梯的时候,电梯还未上升时,我们与电梯是相对静止的,人受到了地球的引力,还受到了电梯的底部对人的支撑力,所以人静止不动。
假设电梯里有一个体重秤,人在站上面。突然你感觉到电梯对人的支持力变大了,秤上的示数增加了。原因很容易想到,因为电梯动了,匀加速上升,有了一个向上的加速度a。
还有另外一种情况,电梯并没有动,因为某些原因,地球的引力突然间增加了,也就是重力加速度g增大了,电梯对人的支持力也增加了,所以人相对于电梯静止不动。
如果你看到秤上的示数重100斤涨到了120斤,其实并不是你变胖了。爱因斯坦说:如果这个电梯是封闭的,那么你无法清楚电梯到底是在上升,还是地球引力变大了,这两种情况是等效的,并且我们可以发现这个过程中其实变量是加速度a和g,所以恒星引力(引力场)与加速度(惯性场)是等效的,这就是广义相对论的基础《等效原理》。于是,描述物体下落,恒星之间相对运动的关系,就不需要万有引力中的相关概念,牛顿就可以领盒饭了。
光线弯曲
当爱因斯坦悟出等效原理之后,突然想到了一件事,如果在一个可以透光的电梯里射入一道光线也会出现等效原理。
当电梯不受任何力,一束光不受任何力从电梯中的一个小孔中射入,就会从同一高度射出。
惯性场:如果电梯处于加速上升的状态,那么光线在电梯内的轨迹就会发生弯曲,但在电梯之外的人看来,光线是同一高度进出的。
引力场:如果电梯处于恒星当中,因为恒星中具备向下的加速度(重力加速度),那么光线在电梯内的轨迹也会发生向下弯曲,在引力场外的人看来,光线发生了向下偏移。
如果我们拿掉地球上静止的电梯,地球之外的的人,就可以发现地球的引力场,使光发生了偏转。
为什么地球上的人感受不到光线发生偏转?
加速度a有强弱之分,g也有强弱之分,宇宙学中常用强引力场和弱引力场来表述,因为爱因斯坦描述引力的现象是时空的几何性质,所以也可以说是时空曲率大或时空曲率小,决定这一性质的是天体的质量。
2019年,人类首张黑洞的照片,就是强引力场的证明,黑洞产生的时空曲率最大。太阳使光发生轻微的偏转,而光一旦进入黑洞的视界中,将无法逃脱。
地球在太阳面前更不够看了,不过地球并非没有引力场。宇宙中的任意一处时空时时刻刻都在发生着扭曲,因为物质在宇宙中无处不在,大到天体,小到一颗粒子。只要有物质就有质量,有质量就会产生时空弯曲,哪怕质量极其小,曲率接近于0,那也是产生了时空弯曲。
我们之所以可以在地面上行走,之所以有上下之分,因为地球也存在引力场,火箭发射需要达到第二宇宙速度11.2km/s,就是为了摆脱地球的引力场。
地球的引力场太小,曲率太小,并且人类的视野有局限性,所以光线偏转的角度太小,人类无法感知。就像虽然你知道地球是圆的,但是如果你站在地面上,你无法用肉眼观察到地球表面的弯曲。