当光与引力相互作用时发生了什么事？

1783年，英国牧师约翰·米歇尔提出，被足够大质量恒星的引力场抓住的光粒子会减速、停止并回落，因此他第一个预测了黑洞的存在。米歇尔就这个问题写信给他的好朋友亨利·卡文迪许，卡文迪许遵循类似的推理来预测，当光粒子在经过一个大质量物体时，它的路径会发生偏转。

米歇尔和卡文迪许使用了同样的假设来进行他们的计算，他们假设光可以减慢速度，并且光会像一个大质量物体那样经历重力。他们假设艾萨克·牛顿的万有引力理论是正确的，光在响应牛顿引力时表现得像物质粒子一样。但奇怪的是，尽管有这些不正确的假设，但这些人预测的效果已经证明是非常真实的。

我们现在知道，引力和光都比牛顿认为的怪异得多。广义相对论表示，引力确实可以影响光，其方式与米歇尔和卡文迪许的预测非常接近。真正困难的部分是理解它的原因：当光与引力相互作用时发生了什么事？

引力红移

在广义相对论中，最好的起点始终是等效原理，这是爱因斯坦的伟大见解，我们无法区分加速度场和重力场。想象一下，我们正在一艘快速加速的火箭飞船中。在飞船前面，有一只巨大的外星生物，此时我们想发射激光将它杀死。虽然外星生物也跟着飞船在加速行进，但它观察到的仍然是光速，因为光速对于所有观察者来说都是不变的。

虽然光速不变，但光的波长会发生变化。波长是两个波峰之间的距离，当外星生物接收到第一个波峰时，它又加速得更快了，因此接收到第二个波峰时走得更远了，这就导致它观察到的光的波长拉长了。等效原理告诉我们，如果在引力场中静止，我们会经历所有相同的物理过程。也就是说，从引力场中发出的光也会经历引力红移。

如果我们使用时间在引力场中运行缓慢的事实，我们会得到完全相同的预测。任何产生光子的过程都可以被认为是时钟， 例如在发光的灯丝中来回振动的原子。这些运动的频率决定了产生光子的频率和波长。在引力场外看这些过程，这些时钟运行得很慢，看起来运动频率就会降低，因此从引力场中发出的光的频率就会较低。如果引力体的密度足够大，光的红移就会足够大甚至是无限的，这个引力体就是所谓的黑洞。

在黑洞的事件视界中，引力时间膨胀是如此之强，以至于时钟停止，试图逃逸的光子的频率为零。奇怪的是，产生这种无限红移所需的质量密度与光速刚好做圆周运动所需的质量密度完全相同，因此米歇尔根据完全错误的假设计算出一个正确的结果。

光线偏折

我们还是在加速的飞船上，这次外星生物在飞船的侧边，另一边的激光器直接对准它发射激光。如果我们从船外非加速观察者的角度来看，光在加速飞船上会沿着弯曲的路径行进，所以激光不会打中外星生物。但是，从船上观察者的角度来看，是因为加速度场的存在，使光线发生了偏折。同样，等效原理告诉我们，在引力场中我们会看到同样的场景。

在上面的描述中，我们使用引力时间膨胀来解释光的引力红移。那么，我们能否用它来解释光线偏折呢？聪明的爱因斯坦想到了惠更斯原理。该原理表明，任何波都可以被描述为无限数量的点状振荡，每个振荡都会产生新的波。这些新产生的波的干涉的总和，代表了原始波的演变方向。例如光在介质中的折射现象，如果我们用惠更斯原理，连接折射后的小波重建整体波前，就会发现光的路径已经发生了折射。

我们知道，越靠近引力源的地方时间过的越慢。但是，对于我们来说，光速是恒定的，因此那些更靠近引力源的地方，点状振荡产生的波传播的距离会更短。所以，如果我们连接这些小波并重建整体波前，也会发现光的路径一直在发生偏折。

使用广义相对论计算的光的偏折角是卡文迪许基于牛顿引力计算的偏转角的两倍。后来，爱丁顿利用非洲西海岸的日食，证实了爱因斯坦计算。

审核编辑：刘清