相对论之旅/光线的弯曲

光线的弯曲

这很容易理解。想象一下，你在一个火箭里玩激光笔，指着对面墙壁上的一张史酷比的照片。突然，你看到激光束向下弯曲，朝火箭的后部移动。在同一时刻，你面前静静漂浮着的那本《银河系漫游指南》，也朝同一个方向飞去。当然，原因很明显。火箭正在加速，所以这本书就好像被留在了后面。同样，在光穿过火箭宽度的时间里，火箭向前移动了额外的距离，导致光点打在火箭墙壁上的位置比其原始位置更靠后。

如果火箭的宽度为l，并以a的加速度加速，那么光穿过火箭宽度的时间t（其中t = l/c），火箭的速度将增加dv = at = al/c。（这里假设这个增加远小于光速，所以我们不需要考虑任何特殊的相对论因素）

光束击中墙壁时的偏转角（以弧度表示）因此大约为al/c²。

现在根据基本原理，在加速系统中成立的，在重力场中也成立，因此，当一束光穿过强度为g（= a）的重力场时，它将弯曲一个角度 $\alpha$ ，其中

$\alpha ={lg \over c^{2}}$

同样，很容易证明它下降的距离s由下式给出

$s={\tfrac {1}{2}}{l^{2}g \over c^{2}}$

不出所料，在涉及地球重力的情况下，这个值相当小。一束激光水平照射 1 公里的距离，在地球重力场中下降的距离仅为 5 x 10⁻¹¹ 米。这大约是原子直径的四分之一！

另一方面，当来自遥远恒星的光线经过太阳表面附近时，它会被明显地偏转，而且这种偏转可以相当容易地测量。它导致太阳后面的恒星看起来比它们实际位置离太阳更远。

然而，重力可以弯曲光线的想法并不新鲜。这不会让牛顿感到惊讶，他一直认为光线是受重力影响的一束粒子。另一方面，惠更斯和后来的麦克斯韦，这些波动说光线的支持者，会强烈否认这种可能性。毕竟，重力作用于质量，它怎么可能影响电磁波呢？然而它确实影响了。

（我必须在这里加一个警示说明：事实上，重力弯曲光线比上面计算的还要多。我们论证中的缺陷不在于火箭速度远小于光速的近似，而在于假设空间和时间不受火箭加速（或等效地，重力场）的影响。当考虑到空间和时间扭曲的影响时，完整的广义相对论预测的偏转角是上面计算结果的两倍，而自爱因斯坦首次计算出这种效应的大小以来，完整的理论预测已经多次通过实验验证。）