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光子揭秘3:光子在引力透镜中的变速原理
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在前面两集视频中,我们从光的折射,以及不同频率的光折射率不同这两个角度,简单讨论了光速的可变性。有人不免会有这样的疑问:光子在发生折射时,是如何变速的呢?现在,我们就先从引力透镜这个简单的折射现象来讨论这个问题。 我们知道,大质量天体周围是它的引力场。从视频《涡的世界》17至19集可知,光子在引力场中的运动是一种协变运动,从而使得光子场与引力场之间涡环相互耦合,这些耦合涡环上的应力作用,即耦合力Fq,使它们之间产生了引力作用。也就是说,光子从天体附近经过的过程中,光子受到天体的引力作用。 从视频《涡的世界9》可知,场与场之间的相互作用力是耦合引力Fq与剪切斥力Fr的合力。上文光子与天体之间的引力作用就是耦合引力Fq。现在,我们再讨论一下光子场与天体引力场之间的剪切斥力Fr。 我们知道,水中的气泡总会快速浮到水面,那是因为,气泡上下两侧的压力差,使气泡受到水的浮力作用所致。在引力场中,光子也有它的场域,这个场域边界形成的球体,就如同水中的“气泡”。在光子场域边界整个包络面上,扣除耦合涡环的耦合面后,剩余的都是剪切面。由于靠近天体一侧剪切面上的应力高于背对的一侧,而使光子受到引力场的一个“浮力”作用,这就是剪切斥力Fr的本质。 当然,上述剪切斥力Fr是基于光子静止状态而言的,但由于光子是以高速运动的方式接近天体,因此,光子在运动方向上的剪切斥力要比静止时高出很多倍。由此可知,剪切斥力Fr的延长线并不在天体质心上,而是在天体的光子运动方向一侧。 好了,我们现在有了耦合引力Fq和剪切斥力Fr,光子在引力透镜中的变速和路径偏折问题,也就迎刃而解了: 耦合引力Fq可以分解为两部分:一个是光子运动轨迹切线方向上的切向力Fqt,另一个是运动轨迹径线方向的径向力Fqd。同样,剪切斥力Fr也分解为,光子运动轨迹的切向力Frt和径向力Frd。 一方面,耦合引力的径向力Fqd与剪切斥力的径向力Frd的合力Fd,导致了光子运动轨迹的偏折。越靠近天体这个径向合力Fd越大,导致光子运动轨迹的曲率增大。另一方面,剪切斥力的切向力Frt与耦合引力的切向力Fqt的合力Ft,导致了光子运动速度的降低。 光子远离天体的过程,是其靠近天体的逆过程,感兴趣的朋友可以自行推导一下,在此不再赘述。另外,这也是光的折射现象中路径偏折和变速的原理。值得一提的是,在光子靠近天体的过程中,剪切斥力Fr是让光子减速的阻力;而在光子远离天体的过程中,剪切斥力Fr是光子加速的推动力。 说到这里,细心的朋友也许发现了问题:既然光子进入介质时受到了径向合力Fd而进入介质中,那反射的那部分光子又是怎么一回事呢?关于反射问题,我们下集再讨论。
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