宇宙中的每個現象都是奇妙而引人入勝的，尤其是那些看似矛盾的現象。其中之一就是：光——這種我們日常生活中隨處可見，卻又充滿神秘的自然現象。光是無質素的粒子，這是我們從小就知道的常識。然而，盡管光沒有質素，但它仍然會受到重力的影響。這個現象看似矛盾，卻是科學事實。這是怎麽回事呢？
理解光的性質
光是一種電磁輻射，位於電磁譜的可見區域，對人類生活至關重要。我們通常將光視為粒子（光子）和波動（電磁波）二者的復合體。這就是著名的波粒二象性。
光子，光的粒子形態，是一種沒有靜止質素的基本粒子。它們在真空中以光速（大約每秒300,000公裏）傳播。雖然光子沒有質素，但它們具有動量，這在量子力學中是非常重要的一點。光子的能量可以透過普朗克關系式E=hf來表示，其中E是能量，h是普朗克常數，f是頻率。
光的波動性則表現在它的傳播方式上。光以波的形式——電磁波——在空間中傳播。電磁波由交替的電場和磁場組成，這些場在垂直方向上變化，並且與波的傳播方向垂直。
宇宙的規則：重力是如何影響質素的？
我們的直觀理解重力可能源自以艾薩克·牛頓為代表的古典物理學。牛頓的萬有重力定律認為兩個質點之間存在重力，且這種力的大小與兩點的質素乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比。在這個理論中，我們看到的重力是作用於質素的力，但是，光沒有質素，所以按照牛頓的理論，光並不受重力影響。
然而，這並不是故事的全部。事實上，愛因斯坦的廣義相對論改變了我們對重力的理解。在牛頓的理論中，重力是一個「力」，而在廣義相對論中，重力被理解為物體透過其質素曲率空間時間的結果。也就是說，物體的質素和能量會曲率它們周圍的空間和時間，而物體則自然地沿著這個曲率移動。這個理論的重要推論是，即使光沒有質素，但它也有能量，因此也會受到重力的影響。
另外值得註意的是，即使在牛頓的理論中，光也可能受到重力的影響，雖然不是直接的。這是因為光在傳播過程中會與物質相互作用，而物質受到重力的影響。但這種影響通常很微小，通常被忽略不計。
所以，為了理解為什麽沒有質素的光會受到重力的影響，我們需要更深入地理解重力的本質，特別是在廣義相對論的框架下。
廣義相對論和光的重力彎曲
廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出的一個理論，它為我們理解重力提供了全新的視角。在這個理論中，重力並不是一個力，而是物體由於其質素和能量而在四維空間時間中創造的曲率。這種曲率改變了物體的運動路徑，使其看起來像是受到了一種「力」的影響。
在這個框架下，光也會受到重力的影響。雖然光沒有質素，但它有能量和動量，而在廣義相對論中，能量和動量都可以產生重力。結果，光在透過彎曲的空間時間時，其路徑也會發生彎曲。這就是所謂的「光的重力彎曲」效應。
這個效應在1919年的日全食期間得到了驗證。愛因斯坦預測，當光從一顆星透過太陽附近的空間時，光線將會偏離直路線徑。這種效應在觀察中被確認，從而為廣義相對論提供了重要的證據。
這個理論提供了一個理解為什麽光會受到重力影響的關鍵。我們通常認為重力是作用於質素的，因此無質素的光應該不會受到重力的影響。然而，愛因斯坦的理論改變了我們對重力的理解，重力不再是一個力，而是空間時間的曲率，而光，雖然沒有質素，但具有能量和動量，因此在這個新的視角下，光也會受到重力的影響。
愛因斯坦的預言和後續的觀測驗證
1919年，英國天文學家阿瑟·愛丁頓利用南美和非洲的日全食，對愛因斯坦的預測進行了實證研究。愛因斯坦的理論預測，當光線經過太陽附近時，會受到重力的影響並行生彎曲。愛丁頓的實驗結果證實了這一預測，這一實驗也被公認為廣義相對論的一個重要驗證。
愛丁頓和他的團隊測量了來自遠方恒星的光線經過太陽附近時的偏移量。他們發現，恒星的光線確實發生了彎曲，且彎曲的程度與愛因斯坦的理論預測完全吻合。這一結果給科學界和公眾留下了深刻的印象，廣義相對論從此走進了公眾的視野。
從那時起，許多其他的觀測也驗證了廣義相對論。例如，射電望遠鏡的測量結果證實了光線在經過天體附近時確實會發生彎曲。此外，重力波的直接探測也為廣義相對論提供了更多的證據。
這些實證研究顯示，盡管光沒有質素，但它確實受到重力的影響。這不僅證實了廣義相對論的正確性，也揭示了宇宙的一些基本規律，幫助我們更深入地理解宇宙的執行機制。
重力是如何影響光的路徑的？
現在我們已經知道，光盡管沒有質素，但它仍然受到重力的影響，但為什麽會這樣呢？這是因為根據廣義相對論，重力實際上是由於質素（或能量）對周圍的時空產生曲率，從而影響物體的運動軌跡。
對於光來說，盡管它沒有質素，但它攜帶著能量，並且在傳播時遵循最短路徑原則。在彎曲的時空中，最短路徑並不是我們在平坦空間中慣常理解的直線，而是所謂的測地線，這條線在時空曲率存在的地方會彎曲。因此，當光經過天體附近，其路徑會受到時空曲率的影響而發生彎曲，這就是為什麽光會受到重力影響的原因。
光的重力透鏡效應
這一現象在天文學中有其特別的重要性，被稱為「重力透鏡效應」。重力透鏡效應是指當光源、天體（如星星或星系）和觀察者三者排成一直線時，光源發出的光線在經過天體附近時受到天體重力的作用而發生彎曲，進而形成對觀察者來說看似復數個光源的現象。
在天文學的研究中，重力透鏡效應為我們提供了一個獨特的工具。透過測量光的彎曲，我們可以了解重力源的質素分布，甚至可以檢測到光源後方的天體。更為驚人的是，當重力透鏡效應的彎曲程度足夠大時，可以形成強烈的「重力透鏡」，使得後方的光源被放大和扭曲，形成弧線或者完整的光環，這就是所謂的「愛因斯坦環」。
利用重力透鏡效應，天文學家們已經做出了許多重要的發現。例如，它是探測暗物質分布、研究遙遠星系的重要工具。盡管光的彎曲給我們帶來了挑戰，但同時也揭示了宇宙的奧秘，使我們得以用全新的方式理解和探索宇宙。
結論：光和重力的微妙關系
光的質素確實為零，它在沒有重力作用的空間中，會沿直線行進。然而，在愛因斯坦的廣義相對論中，我們理解到，光的行進路徑受到重力的影響，不是因為光有質素，而是因為重力改變了光行進的「舞台」——時空。我們可以把這個現象理解為，光仍在直線行進，只不過這條「直線」被重力所彎曲。
這種看似矛盾的現象揭示了重力對時空的影響，也讓我們對宇宙有了更深的理解。正如我們在文章中所探討的，這一理論不僅得到了實驗證據的支持，而且在天文學中有著重要的套用，如重力透鏡效應。
透過理解光為何受到重力的影響，我們可以看出，科學的探索往往會帶來出人意料的結果。愛因斯坦的廣義相對論開啟了我們理解宇宙的新視角，讓我們能以全新的方式去探索和理解宇宙的奧秘。
