光會受到萬有引力的影響么？

01-14

光會不會因為受到地球引力的影響，從天空中射下來的光會不會比垂直於海平線的光速度更快呢？（知乎首問可以用一個高中生聽得懂的答案回答么。）

引力不影響光速

引力場會使時空發生扭曲

引力對光有作用。比如引力透鏡效應、引力紅移。光線經過一個大質量天體附近時，受其引力作用（或者說進入了該天體附近的彎曲空間），路線會發生偏轉，稱為「測地線效應」。

我覺得我還是要強調這個答案核心的兩點，以防評論區的民科

1.在引力場當中任何一個局域坐標系中，光速是不變的（引力場上任意一點附近光速不變且各項同性），這個理論最終被選為廣義相對論的基礎。

2.我們假定存在一個全局坐標系下，光速是引力場場強的函數，這個理論最早用來計算光在引力場中的偏折，這種觀點最終被拋棄了，但是並不妨礙我們處理問題。

第一種觀點被選做廣義相對論的基礎是由於等效原理（強等效原理）的建立。

等效原理認為，引力場和非慣性系在局域不可區分。

而我們最終建立的廣義相對論，實際上是一個基於研究局域參考系的理論。

光會受到引力場的影響，但是光的速度是否改變，取決於你採用哪種方式來描述光速。

即使是Einstein本人，在光速可不可變這個問題上，在前後期也有不同的看法（以下理論均指廣義相對論中的）：

1、光速可變理論（1911年）

此理論認為光速應當是引力場場強的函數，關於愛因斯坦對此理論的論述，引自WiKi：

因為光速是位置的函數，從惠更斯原理可以推出沿和引力場垂直方向上前進的光線必然會發生偏轉。

2、光速不變理論（時間不詳，與廣義相對論協變性原理同時）

廣義相對論協變性認為一切物理規律在所有參考系下都具有同一形式，其中應當包括光速不變原理。

事實上，光速可不可變取決於你站在引力場中哪種參考系下測量光速。

結論是，引力場中的局域參考系中，光速不變；全局參考系中，光速是引力場場強的函數。（此段表述可能不準確，請各位指教，GR屬於自學朗道—劉遼。）

這個問題甚至還成為了某屆國際奧林匹克物理競賽的一道試題（我想不起來哪屆了，如有知道的，請告訴我。）

那個題讓你從光速可變原理出發，類比折射定律，計算光受太陽引力的偏轉角。

我們考慮一光子從無限遠處到達距離太陽 $r$ 處，其初始頻率為 $u$ ,末態波長為 $u^{$ ;

由能量守恆知 $h u=h u$ ；

其中光子質量 $m$ ,可由光子的Einstein關係得到： $m=frac{h u$ ;

可以得到 $u= u$ ;

如果我們認為光在無窮遠處（無引力場，退化到Minkwoski空間）中經歷的時間為 $dt$ ,

在引力場中經歷的時間為 $dt$ ,由於處處 $u t$ 這一相位應當為不變數，故

$dt=frac{dt$ ;

考慮到空間應當發生的尺縮效應 $dr=dr$ ;

局域參考系下光速應當等於 $c$ ;

這說明了在全局參考系下看， $r$ 處的光速大小應當是 $c$ ;

利用這個定出引力場的「折射率」，便可以得到光受太陽引力的偏轉角，這也是1911年Einstein算過的，只是他老人家當年沒計算空間部分，導致最後結果只是正確的 $frac{1}{2}$ ;

上面這套演算法（基於狹義相對論）計算的光受太陽引力的偏轉角和廣義相對論的結果完全一致（一階近似下）。

而廣義相對論下光速與時空度規張量的 $g_{00}$ 項有關，譬如描述對稱球體的Schwarzschild 度規：

$ds^2=(1-frac{2GM}{rc^2})dc^2t^2-(1-frac{2GM}{rc^2})^{-1}dr^2-r^2d heta^2-r^2sin^2 heta^2dphi^2$ ;

令 $ds^2=0$ ,這是光的運動（測地線），

你可以從中發現 $c$ ;

即我們得到了同一結論。

在廣義相對論建立完全後，我們就可以放棄光速可變理論了，它與「等效原理」一樣，只是個接生婆。

順便給出狹義相對論計算光線偏轉角的方法。

Einstein當年的原稿是這樣的：

所以，光速變不變，取決於你用哪種視角，在哪裡看。

在下才疏學淺，若有錯誤，請各位指出，感謝。

安利一下自己的知乎專欄，雖然這兩天沒更新。。。讓我忙完這段時間再說。。

【狹義相對論】天坑--Special Relativity - 知乎專欄

光是沿著世界線傳播的，也就是所謂的直線。

時空的結構會因為引力而改變，這樣的圖景下，平直的時空會變成扭曲的，你可以試著把畫著直線的紙扭曲一下，是不是看上去直線變彎了（笑）？

宇宙中大質量天體會把路過它的光線扭曲到另一個方向，這樣就能夠讓我們看到其背後的光線，這是引力透鏡效果，很好理解。

ps：樓上回答的折射，那是因為空氣密度隨著海拔高度分布不均勻導致的，這方面引力作用效果是忽略不計的。

1.在任意慣性參考系，光速不變。這是狹義相對論的基本假設，也得到了觀測嚴格的證實。
2.引力場中適用廣義相對論。【速度是一個矢量】，既包括大小也包括方向都是不變的。在引力場中，質量分布的方式決定時空的曲率。存在曲率的時空，其測地線在平直坐標系看來是彎曲的；廣義相對論利用張量幾何描述，在任意坐標變換下保持形式不變，光速不變原理從慣性系推廣到任意參考系。引力場影響的不是光速，而是時空本身。

3.引力場的時空曲率不僅包括空間的「彎曲」，也包括時間的，在引力場中存在引力鐘慢的現象。遠離引力場的光線，會觀測到頻率變低，即紅移；靠近引力場的光線則會發生藍移。

前提：if廣義相對論正確（至少目前可以這樣認為）

結論：廣義相對論模型下引力不對光產生直接影響。

在廣相框架下受引力影響的是空間本身，光只是依照費馬原理在走空間中自己認為的「直線」。

題外話：不要通過直覺看待物理現象=_=

有影響，僅僅是路徑，就好比平時走直線，現在走彎路一樣！

不然你以為黑洞為什麼是黑的

光是有速度的，

你可以把光在宇宙中的傳播，看成是光物質在宇宙中飛行。

旁邊萬有引力小心地方對他毫無影響，他繼續走直線。

旁邊萬有引力很大，他就會被拉偏軌道，

當旁邊萬有引力特別巨大，他就會被捕獲，無法逃逸出來。

地球和月球的關係，不是奴隸主和奴隸的關係，而是大便和蒼蠅的關係。蒼蠅總是跟著大便的氣味飛的，所以它們就圍繞著大便轉了。月球也是一樣的，是它主動來找地球的，而不是地球抓著月球不放的。

宇宙是民主的！它對光也是如此的。

會有影響的！

一個最好的例子，黑洞是質量巨大到連光也跑不出來。

想想黑洞，超高質量，超強引力，正因為光不能逃脫所以是黑色的。於是…有沒有影響好像很明顯。(本人物理半白痴，有錯求噴)

光也是物資質，也受萬有引力的作用

一般認為，光是會受到引力的影響的。

比如說一個星系團，它的質量特別大，所以它會對時空進行扭曲，星系傳來的光就被扭曲了。（如笑臉星系團）

還有一個簡單的例子，把一個氣球放到燈光下，光是曲線。把手指按上去，光就會繞著手指的坑傳播。

會啊，黑洞就是證明

應該不會受到吧，光的傳播只有障礙物可以擋住吧。

不是專業人士我覺得如果光不受引力的影響人類不就看不到了嗎？光子不就是會堆積在發光源周圍？

我傾向於Narayan和MrD的回答。雖然我看不懂Narayan的推導。但是他們倆都考慮3折射因素、這可能是對的!。因為光是什麼?傳播要不要媒質?如果要、與媒質如何關聯?這些目前仍不清楚、反正我是那麼認為的。

光會受地球引力的影響，因為根據廣義相對論中的引力場方程式可知，任何一個物體都會產生引力曲率，曲率越大對光線的偏折作用越強；從空中射向地面的光線會比垂直於海平面的速度快因為根據折射定律可知