1783年，英國牧師約翰·米歇爾提出，被足夠大質(zhì)量恒星的引力場抓住的光粒子會減速、停止并回落，因此他第一個預(yù)測了黑洞的存在。米歇爾就這個問題寫信給他的好朋友亨利·卡文迪許，卡文迪許遵循類似的推理來預(yù)測，當(dāng)光粒子在經(jīng)過一個大質(zhì)量物體時，它的路徑會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

米歇爾和卡文迪許使用了同樣的假設(shè)來進(jìn)行他們的計(jì)算，他們假設(shè)光可以減慢速度，并且光會像一個大質(zhì)量物體那樣經(jīng)歷重力。他們假設(shè)艾薩克·牛頓的萬有引力理論是正確的，光在響應(yīng)牛頓引力時表現(xiàn)得像物質(zhì)粒子一樣。但奇怪的是，盡管有這些不正確的假設(shè)，但這些人預(yù)測的效果已經(jīng)證明是非常真實(shí)的。

我們現(xiàn)在知道，引力和光都比牛頓認(rèn)為的怪異得多。廣義相對論表示，引力確實(shí)可以影響光，其方式與米歇爾和卡文迪許的預(yù)測非常接近。真正困難的部分是理解它的原因：當(dāng)光與引力相互作用時發(fā)生了什么事？

引力紅移

在廣義相對論中，最好的起點(diǎn)始終是等效原理，這是愛因斯坦的偉大見解，我們無法區(qū)分加速度場和重力場。想象一下，我們正在一艘快速加速的火箭飛船中。在飛船前面，有一只巨大的外星生物，此時我們想發(fā)射激光將它殺死。雖然外星生物也跟著飛船在加速行進(jìn)，但它觀察到的仍然是光速，因?yàn)楣馑賹τ谒杏^察者來說都是不變的。

雖然光速不變，但光的波長會發(fā)生變化。波長是兩個波峰之間的距離，當(dāng)外星生物接收到第一個波峰時，它又加速得更快了，因此接收到第二個波峰時走得更遠(yuǎn)了，這就導(dǎo)致它觀察到的光的波長拉長了。等效原理告訴我們，如果在引力場中靜止，我們會經(jīng)歷所有相同的物理過程。也就是說，從引力場中發(fā)出的光也會經(jīng)歷引力紅移。

如果我們使用時間在引力場中運(yùn)行緩慢的事實(shí)，我們會得到完全相同的預(yù)測。任何產(chǎn)生光子的過程都可以被認(rèn)為是時鐘， 例如在發(fā)光的燈絲中來回振動的原子。這些運(yùn)動的頻率決定了產(chǎn)生光子的頻率和波長。在引力場外看這些過程，這些時鐘運(yùn)行得很慢，看起來運(yùn)動頻率就會降低，因此從引力場中發(fā)出的光的頻率就會較低。如果引力體的密度足夠大，光的紅移就會足夠大甚至是無限的，這個引力體就是所謂的黑洞。

在黑洞的事件視界中，引力時間膨脹是如此之強(qiáng)，以至于時鐘停止，試圖逃逸的光子的頻率為零。奇怪的是，產(chǎn)生這種無限紅移所需的質(zhì)量密度與光速剛好做圓周運(yùn)動所需的質(zhì)量密度完全相同，因此米歇爾根據(jù)完全錯誤的假設(shè)計(jì)算出一個正確的結(jié)果。

光線偏折

我們還是在加速的飛船上，這次外星生物在飛船的側(cè)邊，另一邊的激光器直接對準(zhǔn)它發(fā)射激光。如果我們從船外非加速觀察者的角度來看，光在加速飛船上會沿著彎曲的路徑行進(jìn)，所以激光不會打中外星生物。但是，從船上觀察者的角度來看，是因?yàn)榧铀俣葓龅拇嬖冢构饩€發(fā)生了偏折。同樣，等效原理告訴我們，在引力場中我們會看到同樣的場景。

在上面的描述中，我們使用引力時間膨脹來解釋光的引力紅移。那么，我們能否用它來解釋光線偏折呢？聰明的愛因斯坦想到了惠更斯原理。該原理表明，任何波都可以被描述為無限數(shù)量的點(diǎn)狀振蕩，每個振蕩都會產(chǎn)生新的波。這些新產(chǎn)生的波的干涉的總和，代表了原始波的演變方向。例如光在介質(zhì)中的折射現(xiàn)象，如果我們用惠更斯原理，連接折射后的小波重建整體波前，就會發(fā)現(xiàn)光的路徑已經(jīng)發(fā)生了折射。

我們知道，越靠近引力源的地方時間過的越慢。但是，對于我們來說，光速是恒定的，因此那些更靠近引力源的地方，點(diǎn)狀振蕩產(chǎn)生的波傳播的距離會更短。所以，如果我們連接這些小波并重建整體波前，也會發(fā)現(xiàn)光的路徑一直在發(fā)生偏折。

使用廣義相對論計(jì)算的光的偏折角是卡文迪許基于牛頓引力計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角的兩倍。后來，愛丁頓利用非洲西海岸的日食，證實(shí)了愛因斯坦計(jì)算。

審核編輯：劉清