既然光的质量为0，为何光还会受到引力的影响，在空间中弯曲？

纯牛马ID26 · 昨天 21:26

在阳光普照的白天要想观测星辰，其实只有一种办法，那就是等待日全食的降临。
观测者必须身处正确的地点、恰逢正确的时机，头顶还得有一片晴朗的天空，并站在月球恰好运行至太阳与地球之间的那条狭窄路径之上。
当月球移至太阳圆面之前，天空会被遮蔽到足够昏暗的程度，遥远的恒星便得以显现在人们眼前。
历史上关于日全食的照片有很多，但其中一张格外特殊。它帮助证明了一项重新定义引力的理论，并让阿尔伯特·爱因斯坦一夜成名，因为这张照片中的恒星并不在它们本应出现的位置上。

艾萨克·牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，为人类理解物理世界奠定了基础。
他将引力定义为一种相互吸引的作用力，能够把恒星与行星这类质量巨大的天体彼此拉近，并使它们维持有序的运行。在此后长达两百多年的时间里，引力一直被视为一种吸引力。
有意思的是，牛顿本人早在1704年就已隐约察觉到光与引力之间可能存在的暧昧关系。他在著作中留下过这样一个耐人寻味的追问：物体难道不会作用于远处的光并因此把光线弯折吗？
这个念头在当时并未展开成为完整的理论，却像一颗种子，静静地埋在物理学史的土壤里，等待着两个多世纪之后被真正翻开。

然而，爱因斯坦对引力的看法截然不同。
根据他于1915年发表的广义相对论，引力并非物体之间的一种作用力，而是物体对空间本身形状所施加的影响。在爱因斯坦看来，像太阳这样质量巨大的天体，会使其周围的空间发生弯曲。
当一个较小的物体沿着这片空间做直线运动时，其路径便会因大质量物体所造成的曲率而被改变方向，从而进入围绕另一物体运行的轨道，这个图像其实并不难在生活中找到类比。
地球的质量约为5.972×10²⁴公斤，它所造成的时空扭曲已经足以牢牢牵住月球，把月球锁定在环绕自己的轨道上。而太阳的质量是地球的三十三万倍，它所造成的时空凹陷更加深邃，所以整个太阳系——包括地球、月球以及全部大小行星——都在这片弯曲的空间里循规蹈矩地滑行。
天体之所以走出椭圆轨道，并不是因为有一根看不见的绳子在拽它们，而是因为它们其实一直在"直线"前进，只不过所走的空间本身是弯的。

如果爱因斯坦的理论是正确的，那么同样的空间曲率也应当能够偏折光线的传播路径。
也就是说，当人们透过地面上的望远镜观测那些位于太阳后方的遥远恒星时，它们的星光会被太阳的引力所偏折，从而使这些恒星在观测中显得略微偏离原本的位置。这在当时是一个具有革命性意义的想法。
但一个巨大的障碍横亘在爱因斯坦面前，使他无法亲自验证这一理论——那时的世界正深陷战火之中。爱因斯坦当时居住在德国，但他的研究成果辗转落入了英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿的手中。
尽管两人分属交战的双方，爱丁顿仍与天文学家弗兰克·戴森一起，着手对这一理论进行验证。他们计划为一次日全食拍摄照片，并将日食期间某一星团中恒星的位置，与该星团出现在夜空中时的位置进行比对。
如果这些恒星的视位置确实发生了偏移，就足以证明来自恒星的光线在穿越空间时，被太阳的引力所弯曲。

1919年5月发生的日全食，正是进行这项实验的理想机会。
为了万无一失，观测团队兵分两路，一支前往非洲西海岸外的普林西比岛，另一支奔赴巴西的索布拉尔。这两处地点都位于日食带之内，且气候条件较为有利。
每支队伍都携带了强大的摄影望远镜，这些设备能够将宇宙空间的细节精细地记录在玻璃感光板上。要拍摄那年五月的日食，考察队必须先将这些器材长途运输至观测地点，再于野外小心翼翼地将其组装起来。
其中一台望远镜上的感光板还特意倾斜了45度，以便尽可能多地纳入明亮的恒星，最终的成果就此诞生。

这是1919年考察行动中为数不多的成功感光板之一，来自巴西观测点。照片记录下了日全食全食阶段的景象：太阳的日冕向四周喷薄迸发，平日难得一见的日珥也清晰可辨，而最重要的是，毕星团中的明亮恒星也一并被摄入其中。
回到英国后，爱丁顿借助一台能够在照片中进行显微级别测量的仪器，将日食感光板上恒星的位置与另一张夜空照片进行比对。比对的结果显示，这些恒星在日食期间确实发生了位置上的偏移，其偏移量大体接近爱因斯坦所预言的数值。
按照牛顿理论的计算，星光在经过太阳附近时也应当发生弯曲，但若爱因斯坦是正确的，那么这一偏折量将是牛顿预测值的两倍。爱丁顿得出的观测结果显示，恒星的偏折量更接近爱因斯坦的计算，而非牛顿的推算。
虽然两者并非完全吻合，但已足够接近，从而验证了广义相对论的正确性，并彻底改变了人类对宇宙的认识。回过头来看开篇那个问题——光的静止质量确实为零，可这并不妨碍它被"拉弯"。因为在广义相对论的语境里，引力压根不是"拉"出来的效果，而是空间几何本身的一种性质。

任何在这片弯曲空间里穿行的东西，无论有没有质量，都必然沿着弯曲的路径前进，光自然也不例外。
而光子恰恰因为静止质量为零，才得以成为宇宙中唯一能够以光速运动的物质，它对时空曲率的响应也就变得格外干净利落，没有多余的干扰。顺便一提，光线在传播途中被"折弯"的现象并不只有引力这一种成因。
最常见的例子就是折射：一束光斜射进水里，人们会看到光线在水面处明显拐了个弯。但让光线在水面拐弯的并不是引力，而是不同介质具有不同的折射率，当光从一种物质进入另一种物质时，传播速度改变，方向也就随之偏转。
此外，作为电磁波的光在电磁场中也会受到影响，而这与太阳把星光"扳弯"完全是两码事。理清了这些不同机制，才能真正明白1919年那张照片的分量所在——它排除的是介质、是电磁场、是一切其他解释，只留下时空本身的弯曲。

这次实验的成功，最早于1919年11月7日通过《伦敦时报》向世人宣布，而这一天距第一次世界大战结束几乎正好过去一年。一位英国人不惜远涉重洋，去证明一位德国人所提出的理论；而空间会被行星和恒星弯曲这一消息，也让整个世界为之振奋。
爱因斯坦在此之前仅在物理学界为人所知，但从那一刻起，他几乎一夜之间成为家喻户晓的名人，并在此后余生一直是国际流行文化中的偶像人物，也成为新闻摄影师最为青睐的拍摄对象。
在此后的数十年间，观测日食始终是检验广义相对论的重要手段之一。随着设备越发精密，一次又一次的观测都在反复印证爱因斯坦理论的精准。广义相对论使物理学家得以着手理解宇宙中那些更为深奥的概念，比如黑洞。
而这一切最终引出了2019年拍摄的人类首张黑洞照片——那距离爱丁顿以一张照片首次证明爱因斯坦的理论、并彻底改写人类对引力的定义，恰好过去了整整一个世纪。

人类花了漫长的时间才明白：光之所以在空间中弯曲，并不是因为它被谁"拽住"，而是因为它所途经的宇宙本身就不是平的。
质量为零的光子只是忠实地沿着时空的褶皱前行，把大质量天体在空间里刻下的每一道弧线，都一五一十地展示给我们看。
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