光作为电磁波为什么只能被引力改变方向，而不被磁力改变方向？
这个问题很有意思，触及到了光与引力和磁力相互作用的根本原因。要理解为什么光会被引力改变方向，却看似“不受”磁力影响，我们需要深入探讨它们的本质和相互作用的机制。
首先，我们得明确一点：光确实会与磁场相互作用，但这种相互作用的方式与它被引力影响的方式截然不同，并且在许多常见情况下，这种影响要微弱得多，以至于我们更容易观察到引力效应。
为什么光会被引力改变方向？—— 弯曲时空
这主要归功于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论告诉我们，引力并非一种“力”的直接作用，而是由质量（或能量）引起的时空弯曲的表现。 想象一下，一个重的保龄球放在一张绷紧的橡皮膜上，橡皮膜会向下凹陷。如果此时你沿着橡皮膜的表面滚一个小弹珠，弹珠的路径会因为橡皮膜的凹陷而发生弯曲，它会朝着保龄球的方向滚去。
光，虽然没有质量，但它携带能量。根据质能等价原理（E=mc²），能量也能够引起时空的弯曲。光在传播时，本质上是在沿着由质量（或能量）弯曲后的时空“测地线”前进。当光穿过一个大质量天体（如恒星或黑洞）附近时，它所经过的时空是弯曲的，因此光的传播路径也就随之发生了弯曲。这就是我们常说的“引力透镜”效应。
关键点：
时空弯曲： 引力改变光的方向，是因为光沿着弯曲的时空路径传播，而不是被直接“拉”向某个方向。
能量的参与： 光的能量也参与了时空的弯曲，即使光本身没有静止质量。
为什么磁力“看起来”不改变光的方向？—— 场的相互作用与介质
现在我们来看看磁力。磁力是电磁场产生的力，而光本身就是一种电磁波。这似乎应该意味着它们会产生很强的相互作用，但实际情况要复杂得多。
1. 光的本质：无净电荷的电磁波
光是由振荡的电场和磁场组成的。光本身是电中性的，它没有净电荷。 磁力，根据洛伦兹力公式（F = q(E + v × B)），作用在运动电荷上。由于光子（光的粒子）没有净电荷，它不会受到磁场施加的直接洛伦兹力。
2. 磁场对电磁波的影响：方向的耦合，而非路径的弯曲
虽然磁力不直接“推拉”光子，但电磁场之间存在着复杂的耦合。一个变化的磁场可以产生电场，而一个变化的电场可以产生磁场，这就是电磁波的产生和传播的根本。
在真空中： 在没有任何介质的情况下，光在真空中的传播速度是恒定的（光速c），并且其传播方向是由其自身的电场和磁场的方向以及相位决定的。虽然磁场会影响光传播的“方式”或“极化”，但它不会像引力那样改变其传播的几何路径。一个静止的磁场不会使光在其传播方向上发生弯曲。
在介质中： 在有介质的情况下，事情会变得更复杂。介质中的原子和分子带有电荷，它们会与光波的电场相互作用，导致光在介质中减速，这就是折射。
磁介质： 当光传播到具有磁性的介质中时，情况就不同了。介质中的原子核和电子在磁场的作用下会产生磁矩，或者磁场会影响电子的轨道运动。这些微观的磁响应会导致介质的整体磁化。
法拉第效应（Faraday Effect）： 这是磁场对光影响的一个经典例子。当一束线偏振光通过一个处于磁场中的透明介质时，它的偏振方向会发生旋转。这并不是光的路径弯曲，而是光的偏振状态被改变了。旋转的角度与磁场强度、光传播的路径长度以及介质的性质有关。
双折射： 在某些磁性材料中，磁场会导致介质呈现出各向异性，即在不同方向上折射率不同。这会导致一束光进入介质后分裂成两束，并且这两束光的偏振方向相互垂直，传播速度也可能不同。这仍然是光的传播“模式”被改变，而非路径被引力般弯曲。
3. 磁场与时空弯曲的区别
引力是通过弯曲时空来影响光，这是一种几何效应，改变的是光传播的“背景”。而磁力则是通过对带电粒子或偶极子施加力的作用来影响物质，这是一种动力学效应，改变的是粒子或物质的运动状态。
4. 强度对比
在大多数天文场景下，恒星、星系等天体的引力场非常强大，足以显著弯曲光线。相比之下，通常我们遇到的磁场强度，即使是强大的实验室磁场，与构成宇宙宏观结构的引力源相比，其对光传播方向的“弯曲”效应（如果存在的话）会非常微弱，甚至难以测量。
总结：
引力改变光的方向 是因为引力弯曲了时空，光沿着弯曲的时空路径传播，这是一种几何效应。
磁力不直接改变光传播的几何路径，是因为光本身是电中性的。
磁场确实可以影响光的传播性质，例如改变其偏振状态（法拉第效应）或导致介质的各向异性（双折射），这是通过磁场与介质中物质的相互作用来实现的，属于动力学或光学效应。
在宏观宇宙尺度上，引力场的强度足以产生明显的时空弯曲效应，而磁场对光传播路径的直接“弯曲”效应（如果存在的话）通常非常微弱，并且其作用机制与引力完全不同。
所以，与其说磁力“不”改变光的方向，不如说它的作用方式不同，且在许多情况下，其影响远不如引力那样显著，以至于我们更容易观察到引力对光路径的影响。
首先，我们得明确一点：光确实会与磁场相互作用，但这种相互作用的方式与它被引力影响的方式截然不同，并且在许多常见情况下，这种影响要微弱得多，以至于我们更容易观察到引力效应。
为什么光会被引力改变方向？—— 弯曲时空
这主要归功于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论告诉我们，引力并非一种“力”的直接作用，而是由质量（或能量）引起的时空弯曲的表现。 想象一下，一个重的保龄球放在一张绷紧的橡皮膜上，橡皮膜会向下凹陷。如果此时你沿着橡皮膜的表面滚一个小弹珠，弹珠的路径会因为橡皮膜的凹陷而发生弯曲，它会朝着保龄球的方向滚去。
光，虽然没有质量，但它携带能量。根据质能等价原理（E=mc²），能量也能够引起时空的弯曲。光在传播时，本质上是在沿着由质量（或能量）弯曲后的时空“测地线”前进。当光穿过一个大质量天体（如恒星或黑洞）附近时，它所经过的时空是弯曲的，因此光的传播路径也就随之发生了弯曲。这就是我们常说的“引力透镜”效应。
关键点：
时空弯曲： 引力改变光的方向，是因为光沿着弯曲的时空路径传播，而不是被直接“拉”向某个方向。
能量的参与： 光的能量也参与了时空的弯曲，即使光本身没有静止质量。
为什么磁力“看起来”不改变光的方向？—— 场的相互作用与介质
现在我们来看看磁力。磁力是电磁场产生的力，而光本身就是一种电磁波。这似乎应该意味着它们会产生很强的相互作用，但实际情况要复杂得多。
1. 光的本质：无净电荷的电磁波
光是由振荡的电场和磁场组成的。光本身是电中性的，它没有净电荷。 磁力，根据洛伦兹力公式（F = q(E + v × B)），作用在运动电荷上。由于光子（光的粒子）没有净电荷，它不会受到磁场施加的直接洛伦兹力。
2. 磁场对电磁波的影响：方向的耦合，而非路径的弯曲
虽然磁力不直接“推拉”光子，但电磁场之间存在着复杂的耦合。一个变化的磁场可以产生电场，而一个变化的电场可以产生磁场，这就是电磁波的产生和传播的根本。
在真空中： 在没有任何介质的情况下，光在真空中的传播速度是恒定的（光速c），并且其传播方向是由其自身的电场和磁场的方向以及相位决定的。虽然磁场会影响光传播的“方式”或“极化”，但它不会像引力那样改变其传播的几何路径。一个静止的磁场不会使光在其传播方向上发生弯曲。
在介质中： 在有介质的情况下，事情会变得更复杂。介质中的原子和分子带有电荷，它们会与光波的电场相互作用，导致光在介质中减速，这就是折射。
磁介质： 当光传播到具有磁性的介质中时，情况就不同了。介质中的原子核和电子在磁场的作用下会产生磁矩，或者磁场会影响电子的轨道运动。这些微观的磁响应会导致介质的整体磁化。
法拉第效应（Faraday Effect）： 这是磁场对光影响的一个经典例子。当一束线偏振光通过一个处于磁场中的透明介质时，它的偏振方向会发生旋转。这并不是光的路径弯曲，而是光的偏振状态被改变了。旋转的角度与磁场强度、光传播的路径长度以及介质的性质有关。
双折射： 在某些磁性材料中，磁场会导致介质呈现出各向异性，即在不同方向上折射率不同。这会导致一束光进入介质后分裂成两束，并且这两束光的偏振方向相互垂直，传播速度也可能不同。这仍然是光的传播“模式”被改变，而非路径被引力般弯曲。
3. 磁场与时空弯曲的区别
引力是通过弯曲时空来影响光，这是一种几何效应，改变的是光传播的“背景”。而磁力则是通过对带电粒子或偶极子施加力的作用来影响物质，这是一种动力学效应，改变的是粒子或物质的运动状态。
4. 强度对比
在大多数天文场景下，恒星、星系等天体的引力场非常强大，足以显著弯曲光线。相比之下，通常我们遇到的磁场强度，即使是强大的实验室磁场，与构成宇宙宏观结构的引力源相比，其对光传播方向的“弯曲”效应（如果存在的话）会非常微弱，甚至难以测量。
总结：
引力改变光的方向 是因为引力弯曲了时空，光沿着弯曲的时空路径传播，这是一种几何效应。
磁力不直接改变光传播的几何路径，是因为光本身是电中性的。
磁场确实可以影响光的传播性质，例如改变其偏振状态（法拉第效应）或导致介质的各向异性（双折射），这是通过磁场与介质中物质的相互作用来实现的，属于动力学或光学效应。
在宏观宇宙尺度上，引力场的强度足以产生明显的时空弯曲效应，而磁场对光传播路径的直接“弯曲”效应（如果存在的话）通常非常微弱，并且其作用机制与引力完全不同。
所以，与其说磁力“不”改变光的方向，不如说它的作用方式不同，且在许多情况下，其影响远不如引力那样显著，以至于我们更容易观察到引力对光路径的影响。
网友意见
光也是一种电磁波，经典的电磁波都可以有用麦克斯韦方程描述，这是一个线性方程，磁场与磁场不会有相互作用，一束传播的光线实际上就是相互交叠变化的磁场和电场，因此不会与空间中的磁场相互作用，不会被磁场改变方向。
而另一方面，中学物理我们学过，带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力，由直线运动变为圆周运动。光子并不带电，因此不会被磁场影响。
而引力并不直接改变光的传播方向，根据广义相对论的思想，大质量的物体会弯曲周围的时空，把直线“弯曲”，而光沿着直线传播，但是此时的直线以及被弯曲了，因此光线也会被弯曲。
如果不限制于
光能否被磁场改变方向
而是
磁场能否影响光的传播
那答案是肯定的！而且有很多有意思的现象。
经典的电磁波是用麦克斯韦方程组描述，然而随着量子电动力学（量子版本的电磁相互作用理论）的发展，人们发现电磁波实际上是由光子构成的，光子和光子之间实际上存在着微小的相互作用。这种微小的相互作用是通过“虚正反电子”实现的：
而且，传统意义上认为的真空，实际上并不空，也是充满了“虚粒子对”：瞬时产生并湮灭的正反粒子对，而这些“虚粒子对”也会影响光的传播。
而一个光子的传播是无数种传播模式的叠加：
- 可以一直是一个光子；
- 也可以传播的过程中变成一对正反电子，然后正反电子又湮灭成光子，继续传播；
- 也可以变成两次正反电子对...
- 中间变成n次正反电子对...
当磁场非常强的时候，光子变成正负电子对然后湮灭的过程就会受到磁场较大的影响，进而影响光线的传播。具体来说[1]：
在偏振方向与磁场垂直和平行的两个方向上，光线的传播速度不同，而且都可以远低于真空中的光速。
...so that light rays with planes of polarization parallel and perpendicular to a large external magnetic field will move with differing speeds.These speeds can both be significantly less thanc, the standard vacuum velocity of light.
这就是真空双折射（vacuum birefringence），最初由Heisenberg 和 Euler在1935年提出[2]
双折射现象在日常生活中也有体现，当一束非偏振光通过某些特殊晶体时，就会产生两种折射光线，最终晶体后变成两束（极化的）光线：
而影响光线传播的真空双折射，需要磁场强度大于44.1亿特斯拉[3]。而这样强的磁场还无法在普通的实验室中产生。比如在2018年，日本东京大学的一组物理学家在实验室里实现了可控的最强磁场：1200特斯拉，虽然只持续了0.1秒[4][5]。
因此这个效应在提出的八十年后一直没有得到证实，一直到近几年。
这个效应的观测需要强磁场，那么哪里有这样的强磁场呢？
（1）中子星。在2016年，天文学家首次报道了观测到真空双折射现象[6][7]。一组科学家使用欧洲南方天文台 (ESO) 特大望远镜 (Very Large Telescope) 观测了来自中子星RX J1856.5−3754的光，结果发现观测到的光有16%的偏振。
（2）重离子对撞。重离子对撞是通过重的原子核对撞来研究粒子物理的一类对撞。由于原子核带多个正电荷，因此在运动过程中会产生很强的磁场，这个磁场比中子星的磁场还会高出数个数量级，虽然持续时间很短暂。
今年的STAR合作组发表了一篇实验结果[8]，其中就测量了超外围对撞（两个核子不直接接触）中电子对产生的分布角度，这个角度就跟光子的极化有关：
结果看到了很明显的角度依赖关系，这也表明光子在强磁场中已经产生了极化，进而光子光子对撞后产生的正反电子对也有了角度依赖。
参考
- ^ https://www.npl.washington.edu/av/altvw196.html
- ^ https://arxiv.org/pdf/physics/0605038.pdf
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_polarization#Electric_and_magnetic_fields
- ^ https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00008.html
- ^ https://tech.sina.com.cn/d/i/2018-10-10/doc-ihkvrhpt4547327.shtml
- ^ http://www.sci-news.com/astronomy/vacuum-birefringence-04410.html
- ^ https://arxiv.org/pdf/1710.08709.pdf
- ^ https://arxiv.org/pdf/1910.12400.pdf
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