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为什么光子没有质量，还可以被黑洞吸引？

送交者: 院子[♂★★★理性但荒谬★★★♂] 于 2021-10-10 3:45 已读 261 次

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作者：中科院物理所
链接：https://www.zhihu.com/question/38680273/answer/2150619795
来源：知乎
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准确来说，光子没有“静止质量”，但是当光子以光速运动起来就有了质量，这个质量我们称之为“运动质量”。根据爱因斯坦著名的质能方程建立了运动质量

$m$ 和能量 $E$ 之间的等价关系 $E = mc^{2}$ 。

也就是说：质量就是能量，能量就是质量。因为光子构成的光束是具有能量的，所以光量子也是具有能量的，也就是说光子也是具有“运动质量”的。根据量子力学的原理，光子的能量

$E_{\gamma}$ 与光的频率 $\nu$ 成正比，比例系数就是著名的普朗克常量 $h = 6.626 \times 10^{-34} J \cdot s$ ：

$E_{\gamma} = h\nu$

根据光子的能量方程和爱因斯坦质能方程，可以得到运动光子的质量:

$m = \frac{h\nu}{c^{2}}$

对于钠灯的黄色光为例（波长为

$\lambda = 589.3 nm$ ），一个光子的质量为:

$m = \frac{h\nu}{c^{2}} = \frac{h}{c\lambda} = \frac{6.626 \times 10^{-34}}{3 \times 10^{8} \times 589.3 \times 10^{-9}} = 3.75 \times 10^{-36} kg$

这里还有一个很有趣的问题，就是由于光子并不存在静止质量，那如果我们跑得和光子一样快，是不是就可以看到质量为零的光子？很遗憾，狭义相对论告诉我们，物质运动速度的上限是光速，不论我们运动速度多快，我们永远无法达到光速，并且我们看到的真空中光子的速度永远都是光速，光子是不会停下来的，这也就是狭义相对论的“光速不变原理”。从另一方面，如果我们可以相对光子静止，那么我们看到光子的质量为零，也就意味着光子的能量为零，这样的话这个光子就神奇的消失了。也就是说，当我们加速到某一个速度时，光子突然消失了，这是一件很荒谬的事情。

另一方面，我们也可以从“时空弯曲”的角度来理解黑洞对光子的引力。黑洞的存在弯曲了其周围的时空，使得黑洞附近的所有物体都有向着黑洞运动的趋势。