从引力红移分析光子有无引力质量及黑洞成因

Analysis of photon gravitational mass and black hole origin from gravitational redshift

王建安

深圳大学物理系, 深圳, 中国

Jian’an Wang

Department of Physics, Shenzhen University, Shenzhen, China

Email: wja@szu.edu.cn

摘要：本文从引力红移分析了光子是否有引力质量及黑洞成因，并得出结论：

1、 光子的动质量为惯性质量，光子没有引力质量；

2、 光源发出的光线在向较小的引力场传播中，将使其谱线向短波方向(蓝端)偏移。

3、 所谓黑洞现象的产生是因为空间能量密度过高以至于进入该空间的光子时间停止，频率为零，波长变为无穷长。

Abstract: This paper analyzes the gravitational mass of photons and the cause of black hole from gravitational redshift，and concludes:

1.      The Motion mass of the photon is inertial mass, and the photon has no gravitational mass;

2.      The light emitted by the light source will shift its spectral line to the shortwave direction (blue end) in the propagation to a smaller gravitational field.

3.      The so-called black hole phenomenon occurs because the energy density of space is so high that the photons entering the space stop in time, the frequency is zero, and the wavelength becomes infinite.

关键词：引力红移，黑洞，光子，引力质量，广义相对论

Key words: gravitational redshift, black hole, photon, gravitational mass, general relativity

1、关于引力红移

目前科学界普遍认为引力红移是指光源发出的光线在向较小的引力场传播中，将使其谱线向长波方向(红端)偏移的现象，引力红移是1916年爱因斯坦根据广义相对论提出的三大预言之一。若发光体和观测者所处的引力场不同时，观测者所接收到的是频率已发生变化的光：若发光体所处的引力场大于观测点的引力场，则光频变小，波长增加，谱线红移;反之则出现紫移。

因为光子有动质量，所以由广义相对论的等效原理（惯性质量等于引力质量）可知，光子应有引力质量。因此，光子在脱离天体的引力运动时需克服天体的引力做功：

（1）式中，△E为光子能量的减小，△Ep为光子势能的增加。在弱引力场中，即光子质量变化不大的情况下，由（1）式得：

（2）式中，γ₁为在离地面高度h1时测到的光子频率，γ₂为在离地面高度h₂时测到的光子频率。R₁=h₁+R₀, R₂=h₂+R_0, R₀为地球半径。由公式（2）可得：

在强引力场中，光子的质量会随引力场的变化而变化，不可视为常量。所以有：

由公式（4）可得：

所以，根据广义相对论，光源发出的光线在向较小的引力场传播中，将使其谱线向长波方向(红端)偏移。

根据时间的本质[1]，物体上的时间与物体的黑体辐射度或辐射出的光子的频率成正比。所以光子上的时间与光子的频率成正比。光子的频率越高则时间越快：

（6）式中σ为常数。根据广义相对论，时间与引力场强度有关：

t₀为在引力场为0时光子的时间。由（6）和（7）得：

（8）式中，γ₀为在引力场为0时光子的频率。由（8）式可知，光子的频率γ会随着离地心的距离R的增加而增加，也就是说光源发出的光线在向较小的引力场传播中，将使其谱线向短波方向(蓝端)偏移。为了验证公式（8），我们可以在地面不同高度处测量同一光束的频率，并预言满足以下公式：

在公式（9）中, γ₁为在离地面高度h₁时测到的光子频率， γ₂为在离地面高度h₂时测到的光子频率。R₁=h₁+R₀, R₂=h₂+R_0, R₀为地球半径。

2、黑洞为什么是黑的？

根据广义相对论，光子在离开黑洞时，由于要克服黑洞的引力场做功，所以其能量越来越小，当到达黑洞视界时其能量为零。所以，光子不能离开黑洞。但当光子从黑洞外射向黑洞时其能量会越来越大。如果黑洞不是奇点黑洞，当光子碰到黑洞表面反射时，如果反射不损失能量，那么光子的能量应当足够大到可以使得光子离开黑洞回到初始状态。所以黑洞应当没法吸住光子。所以，无法解释黑洞为什么是黑的。

由公式（7.12）[2]，及时间的本质[1]我们得到在天体中心形成黑洞必须满足的条件是：

即：

由公式（7.13）[2]，及时间的本质[1]可知，将整个天体变为黑洞必须满足的条件是： 

即：

所以，当光子向黑洞方向运动时，越接近黑洞，空间能量密度越大，光子的波长越长，光子的能量越小。当光子到达黑洞表面（视界）时光子上的时间停止，光子的频率为0，能量为零，波长为无限长。

结论：

1、 光子的动质量为惯性质量，光子没有引力质量；

2、 光源发出的光线在向较小的引力场传播中，将使其谱线向短波方向(蓝端)偏移。

3、 所谓黑洞现象的产生是因为空间能量密度过高以至于进入该空间的光子时间停止，频率为零，波长变为无穷长。

参考文献

1. Wang J. Mpemba effect - the effect of time. ScienceOpen Research. 2022. (DOI: 10.14293/S2199-1006.1.SOR.2022. 0001.v1)

2. Jian’an Wang. (2022). The Modification of Newton's Gravitational Law and its Application in the Study of Dark Matter and Black Hole. Adv Theo Comp Phy, 5(3), 510-517