光子虽不具备静止质量，但物理学家们却发现了多种理论来解释其被黑洞困住的奥秘，如核心理论依据就是爱因斯坦的广义相对论，假如一个天体的引力场强到连光都无法逃逸，也就是形成黑洞，那么通过时空弯曲的原理，便能初步解释光子被束缚的原因。
如果能精准测算黑洞的质量与半径，还可以进一步确定其逃逸速度的临界值。不过经典力学的引力公式只适用于有质量的物体，而光子静止质量为零，因此我们需要结合广义相对论的时空观来分析。
所谓时空弯曲，就是大质量天体使周围的时空发生凹陷变形的现象。时空弯曲中包含着关于引力作用的核心信息，时空弯曲的曲率决定于天体的质量与密度，因此，不同质量的天体所引发的时空弯曲程度差异反映了其引力的强弱。
物理学家在长期的研究中发现，天体质量越大，其周围时空弯曲的曲率就越大，同时引力作用也越强。也就是说通过时空弯曲的曲率就能大概的推测出天体的引力强度，目前我们最常用的时空弯曲计算模型，是爱因斯坦在1915年提出的引力场方程。
通过引力场方程我们可以得知黑洞的时空弯曲特性，因为黑洞的质量被压缩在极小的施瓦西半径内，其周围时空会形成封闭的球面，所以光一旦进入这个球面就无法逃逸。通过对时空弯曲的分析不仅能够解释光子被束缚的现象，还能理解黑洞的其他引力效应。
根据物理学家的研究发现，光子被黑洞困住的关键与光的传播路径相关，也就是说光的传播始终沿着时空的测地线行进，而黑洞周围的测地线因时空弯曲被封闭在视界之内。我们知道光的传播速度是恒定的，由于黑洞引发的时空弯曲极其剧烈，原本平直时空里的直线传播路径，在强引力场中会变成环绕黑洞或坠入黑洞的曲线，导致光子无法挣脱。
因此不同质量的黑洞困住光子的范围也不同，如太阳质量级黑洞的施瓦西半径约为3公里，而星系中心超大质量黑洞的施瓦西半径可达数百万公里，光子只要进入对应半径的视界范围，就会被时空弯曲束缚。由此通过分析时空弯曲的效应，就能够确定黑洞困住光子的临界边界。
那么光子被黑洞困住的具体过程是如何被验证的呢？虽然黑洞无法直接观测，但我们仍可以通过其周围的时空弯曲效应和吸积盘辐射得出间接证据。
第一种是引力透镜效应，引力透镜效应一般用于观测大质量天体周围的时空弯曲。并且需要用到背景天体的光线作为观测基线。因为背景天体发出的光线经过黑洞附近时，会因时空弯曲发生偏折，而我们在地球上观测这些光线，会看到背景天体的影像出现扭曲或多重像，通过这种扭曲程度就能推算出黑洞对时空的弯曲作用。
第二种是吸积盘辐射观测，吸积盘是黑洞周围被引力捕获的物质形成的高速旋转盘状结构，其物质在坠入黑洞的过程中会因剧烈摩擦释放出强烈的X射线辐射。并且吸积盘的辐射范围和强度与黑洞的时空弯曲程度相关，而科学家通过观测吸积盘的X射线谱线，就能分析出光子在强引力场中的传播变化，进而证实光子被束缚的过程。
第三个是事件视界望远镜观测，在2019年，一个来自全球多个国家的科研团队通过事件视界望远镜阵列，对M87星系中心的超大质量黑洞进行了观测，发现了一个环绕黑洞的亮环和中心的暗斑，所谓暗斑就是黑洞的视界区域，光线无法从中逃逸。反之从亮环区域发出的光，是未完全进入视界的光子被时空弯曲后反射出的辐射，也就是我们看到的黑洞阴影周围的光环。
由此当时科研团队得出黑洞周围存在极强的时空弯曲，并且还发现这种时空弯曲足以将光子束缚在视界之内。这意味着我们只要观测黑洞周围的光线偏折和辐射现象，就可以验证光子被黑洞困住的理论。返回搜狐，查看更多