光會受到重力的作用嗎？黑洞會發光嗎？

他是最受媒體歡迎的科學家，也是會寫詩的天文學家，儘管工作任務極為繁重，仍堅持以極大的熱情投身科學傳播，他就是張雙南研究員。

我們特別收集整理了「悟空問答」上張雙南研究員對部分提問的回答, 與您共享科學。本文為張雙南問答系列第十五則。

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張雙南

— 研究員 —

張雙南，中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任。研究領域為黑洞、中子星、宇宙學和空間天文。天宮二號「天極」伽瑪射線暴偏振測量項目、「硬X射線調製望遠鏡」衛星項目以及若干大型國際合作空間天文項目首席科學家。

入選國家傑青、長江教授、「千人計劃」。獲「趙九章優秀中青年科學獎」、義大利Ferrara大學「哥白尼科學家獎」。

網友提問

1、光會受到重力的作用嗎？

2、黑洞能吞噬一切物質，包括光，黑洞本身會發光嗎？

1、光會受到重力的作用嗎？

當然會，而且有很明顯的被觀測和證實的效應。

首先，因為光子沒有質量，根據牛頓的萬有引力定律，光和其它物質之間是不會有引力作用的。但是你可能會問，根據愛因斯坦的質能公式，光既然有能量，就應該有對應的質量，為什麼萬有引力定律不適用呢？原因就在於，牛頓的萬有引力定律裡面的質量指的是物體的靜止質量，而光子的靜止質量為零，因此它不能靜止，只能以光速運動，而具有靜止質量的物體的速度不可能達到光速。

而在愛因斯坦的廣義相對論裡面裡面，由於引力的本質是質量（嚴格地說是能動量張量）導致的時空彎曲，而在彎曲的時空裡面光線就不能走直線，必須沿著彎曲的空間運動，這就是廣義相對論預言的引力偏折效應或者引力透鏡效應，不但已經被大量的天文觀測所證實，而且已經成為了天文學研究的重要工具之一。

在廣義相對論裡面，光受到引力作用的另外一個效應就是引力紅移，也就是從一個強引力場發出的光線到了一個弱引力場，它的波長就變長頻率變低了。這個效應也已經被實驗所證實了。比如，在我們地球的實驗室利用極為精密的穆斯堡爾效應就能夠測量到高度相差20米的地球的引力導致的光的引力紅移。

對引力紅移的最簡單的解釋就是能量守恆：引力場強的區域的引力勢能低，所以從引力強的區域發出光線到引力弱的區域，相當於勢能增加了，能量守恆要求光子的能量必須減少，由於光速不變，只能減少電磁波的頻率，因為光子的能量和頻率成正比。減少頻率就是增加波長，因此也得到了引力紅移。所以引力紅移就是光收到了引力作用的直接後果。

2、黑洞能吞噬一切物質，包括光，那黑洞本身會發光嗎？

黑洞應該不發光，然而可能並不是這樣！

學術意義上的黑洞指的是廣義相對論場方程的一種解，這個解的一個獨特的性質就是有一個視界，也就是距離黑洞中心（那裡到底是不是奇點是另外一個問題）不遠的地方有這麼一個邊界把黑洞的內部和外部分開了，外部的物質和光線一旦越過了這個邊界進入到黑洞裡面，就永遠無法出來了。因此，這樣的「東西」很顯然是一個無底洞，而且光線都不能逃出來，所以是黑到了不能再黑的程度，也就順理成章地被稱為了黑洞。我個人認為，「黑洞」是有史以來最好的科學名詞！當然，根據上面的說法，黑洞是不會發光的。

然而，霍金表示不服！

因為自然規律並不只有廣義相對論。我們知道，根據量子力學的海森堡不確定性原理，也就是在「任意一段時間」內的「能量的變化」必須滿足「時間的長度乘以能量的變化大於普朗克常數」，即使是真空也得滿足這個條件，所以真空就必須不停地折騰，不斷產生能量。根據m=E/c^2，產生出來的這些能量就會以光子對或者正反粒子對的形式出現，只不過又很快湮滅把能量還回去（所以這些光子或者正反粒子對也被稱為「虛粒子對」），保持真空的平均能量為零的狀態。因此貌似風平浪靜的真空，其實內部波濤洶湧，只是我們平時看不到罷了。但是黑洞附近的真空的情況就不同了，因為產生的一對光子或者粒子中的一個有可能掉入黑洞的視界，剩下的那個光子或者粒子找不到原來的伴侶湮滅把能量還回去，就只好從黑洞附近逃出去了。因此，從遠處看來，就好像黑洞在產生這些光子或者粒子，這就是霍金輻射。

因此，根據霍金輻射，黑洞肯定不是黑的一點兒光都發不出，而且黑得發光！但是很遺憾，霍金輻射最近還沒有被觀測到，而這大概就是霍金還沒有獲得諾貝爾物理學獎的原因。沒有觀測到霍金輻射倒不一定說明霍金不對，因為即使使用霍金的理論進行計算，目前已知的宇宙中的黑洞的霍金輻射都實在是太弱了，在可以預見的未來都完全沒有可能被觀測到，當然也不能因此就說明霍金輻射是正確的，畢竟科學是需要證據的，而且需要的是實驗或者觀測證據！

因此我們現在沒有確切的證據表明黑洞到底會不會發光！

張雙南問答

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