光没有质量，黑洞是怎样把它吸住的？答案可能比你想象的更有趣（黑洞滚动大作战）

在2019年4月10日，全球多家天文台共同发布了人类拍摄到的首张黑洞照片——位于5500万光年外的椭圆星系M87的中心黑洞。照片中的黑洞虽然略微模糊，但依然看得出与理论模拟的图像惊人一致，在类似十级美颜的模糊图像下，中间的阴影依然清晰可辨，而黑洞就在这个阴影区域里面。

这张照片表明理论是对的，确实存在光无法逃离的黑洞。那么，黑洞是如何吸住零质量的光的呢？

光也有质量

按照狭义相对论，光没有静止质量，凡是具有静止质量的东西都无法达到光速。不过在发表狭义相对论两年后，爱因斯坦就发布了一条光的能量计算公式：E=hv。公式里E是光子的能量，h是普朗克常数，v是光子的频率。从这公式里可以看出，光子的频率越高，能量也将越高，光子的能量与其频率成正比例关系。

当把上述的光子能量公式与质能公式合并则得到：E=mc^2=hv，移项后得到公式：m=hv/c^2，这就是光子的质量，但并非静止质量，而是相对论质量，与静质量相对，你也可以把它理解为光子的动质量。

牛顿的万有引力理论也会出现光线弯曲

既然有了质量（相对论质量），光子自然是会受引力影响的，所以，根据爱因斯坦给出的光子相对论质量，大家即使用牛顿的万有引力理论，也能得到光被大质量天体（如太阳）吸引的结果，这将导致，即使在牛顿理论体系下，光的行进方向也会被大质量天体（如太阳）改变，也就是说光线会被弯曲！

没有引力，是空间弯了

而爱因斯坦在发表狭义相对论十年后，又提出了一套全新的引力理论——广义相对论。它用时空弯曲代替了引力，认为引力只是时空弯曲的一种外在表现，引力的本质就是时空因物质的质量而产生的弯曲。行星并非被太阳的引力吸引而绕太阳做圆周运动，而是太阳使周围空间发生弯曲，行星沿着弯曲的空间做测地线运动。

因此，根据广义相对论，光子并不是被大质量天体（如太阳）的引力改变了运动方向，而是太阳周围的空间本身因太阳的质量发生弯曲，光经过弯曲的空间从而导致运动方向改变！这就像你在平坦地面向前滚出一个球，它会沿着直线向前滚动，假如滚过一个坑，就会导致滚动方向发生偏转。

两种引力理论的对决——日全食星光偏移实验

那么问题来了，既然两种理论都能得到光线被弯曲的结果，那我们怎么知道它们哪个才是正确的呢？答案是：它们虽然结论都一样——光线都会发生弯曲，但结果却不一样——光线弯曲的程度不一样。根据广义相对论计算得到的光线弯曲程度比万有引力理论计算得到的光线弯曲程度更大。因此，科学家就可以据此进行天文观测，以得到的观测数据来判断这两个理论哪一个更准确。

由于一般的小质量天体（如行星）相对于光子的运动速度来说，质量都太小了，因为运动速度越快，被同一质量天体在同一距离上偏转路径的程度就越低。因此要进行验证光线弯曲就需要像太阳这样质量的天体。然而太阳的光线太强烈了，根本无法对从其旁边经过的光进行观测。不过科学家很快想到了一个办法：日全食时进行观测，由于日全食的时候，太阳光会被月球完全遮挡，导致天空也变得漆黑，这样，我们就可以测量它周围的星光了。

在广义相对论提出后的第四年，即1919年5月29日，科学家就成功观测了非洲的一次日全食，拍摄到了太阳周围星空的照片，与此前于同年1月份拍摄的同一天区的照片比对，结果表明，太阳附近的星光确实发生了偏移，根据照片上星星的位置偏移量，科学家发现与万有引力理论计算的偏移量存在较大的差异，实际观测结果是理论计算结果的两倍，而与广义相对论的计算结果则非常吻合，仅有轻微误差，在正常的误差范围内。事实证明，广义相对论比万有引力理论更为准确。

外界光子的不归路——光子球

随着科技的发展，科学家通过实验和观测反复证明广义相对论的正确性。如今，几乎所有的广义相对论预言均已被证实，唯一没有被证实并可能永远无法被证实的预言可能就只剩下奇点了……

因此，现在广义相对论已成为主流的引力理论，科学界普遍接受空间是弯的。那么既然空间是弯的，黑洞为什么能困住光就很容易理解了：光经过黑洞周围弯曲的空间时，当达到一定的角度——小于光子圆轨道的切线方向，光就会落入这个弯曲的陷阱里出不来了。这个光子圆轨道称为光子球，是以光速绕黑洞旋转的公转轨道，大约在黑洞的史瓦西半径（即黑洞的半径）1.5倍处。

因此，当外界光子切入光子球圆轨道后就无法逃逸了，而假如进入角度再大一点，就直接掉黑洞里了。不过这是外界光子的可逃逸边界，如果光子是在光子球内发出的话，比如吸积盘内物质落入黑洞过程中所释放的光子，假如它是向外辐射的，那么即使在光子球内发出的依然是可以逃逸出来的。所以在光子球内、视界外的光子能不能逃逸不是速度问题，而是方向问题。（是不是感觉有鸡汤的味道……）

时空的牢笼——黑洞视界

但当进入黑洞视界以后就没有任何光子能逃逸了！就算向外辐射也不行吗？是的，不行了……按照广义相对论，在外界看来，视界内的时空会发生互换，因此当物质粒子（包括光子）穿过视界以后，就不再是沿空间方向运动，而是沿时间方向运动，史瓦西半径R变成了时间，由于时间只有一个方向，物质只能沿着时间的一个方向运动，最终落向时间的终点——奇点。

因此，就没有任何物质粒子（包括光子）能从视界内出来，因为那对于外界来说意味着逆着时间运动，那是不允许的。