光子的壽命是多長?

在整個宇宙中，光子的壽命是多少？

通常情況下，光子——光量子或其他電磁輻射被認為其質量為零。但是有些理論允許光子具有較小的靜止質量，而其結果之一則是光子會隨後衰減為較輕的基本粒子。因此，如果這種衰變可能發生，那麼光子壽命的極限是多少？這是一位德國物理學家所提出的問題，他計算出，在光子的參考系下，光子壽命的下限為三年。而這在我們的參考系中意味著約十億（1018）年。

關於質量的問題

光子的壽命有限，因此質量有限，這一點是很難想像的。確實，看著遙遠的宇宙天體，天文學家通常會探測到擁有數十億年的年紀的光子。但是一些理論認為，光子的靜止質量可能不為零，儘管很小——由於電場和磁場的影響，光子質量的上限被限制在10 –18 eV或10 –54 kg。而且由於這儘管很小的質量，光子可能會衰減為其他更輕的基本粒子，例如一對最輕的中微子和反中微子，或者 甚至是目前未知且超出粒子物理學標準模型的粒子。

現在，在德國海德堡，馬克斯·普朗克核物理研究所（Max Planck Institute for Nuclear Physics）的朱利安埃克（Julian Heeck），已經把目光轉向宇宙觀測，尋找光子衰減的跡象（物理評論快報（Phys. Rev. Lett.）。 ）。他研究了宇宙微波背景輻射(CMB)，這是大爆炸的殘餘，形成於宇宙非常年輕——只有38萬歲的時候。

背景光

在此之前，物質和輻射之間存在內在聯繫。但是，當宇宙經歷了一段被稱為「暴漲」的極端增長時期並膨脹時，由電子和光原子核組成的熱等離子體冷卻到足以形成中性原子。物質與輻射的這種「解除耦合」突然允許光子在宇宙中自由行進。隨著時間的推移，它們的波長隨著宇宙的膨脹而被拉長，在光譜的微波區域中留下微弱的輻射光——發射出一種均勻的黑體熱能，如今我們可以沿著每個方向都檢測到。

自從CMB首次被發現以來，已經有100多個實驗對它進行了研究，包括美國宇航局的宇宙背景探測器(COBE)衛星，其威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），以及歐洲航天局的普朗克任務，所有這些都對這種輻射進行了越來越精確的測量。實際上，CMB光譜是自然界中測量最精確的黑體光譜。

長壽命

埃克使用此光譜作為計算的約束條件——他使用了來自COBE任務的極其準確的數據，並將其與他計算出的光譜（包括光子衰減）進行了比較。

如果光子具有質量並且正在衰變為更輕的粒子，則CMB中的光子的數量密度應隨光子的運動而減小。但這反過來又意味著，CMB光譜將不再符合我們所觀察到的近乎完美的熱曲線。Heeck解釋說，由於CMB幾乎是一個完美的黑體，在宇宙存在的138億年中，幾乎沒有光子（如果有的話）會衰減，因此CMB的測量會限制光子的壽命。

結合質量約束條件和CMB約束條件，埃克計算出光子在其自身靜止框架內的壽命為三年。但是，當這些質量很小的光子以接近光速的速度運動時，時間膨脹因素必須被考慮進去，由此才能在我們的可見光參照系中計算其壽命——計算得出的時間為1018年或10 億億年。在新的研究可以進一步探究早期宇宙之前，提高這個極限可能是困難的。

作者: physicsworld

FY: 菲奧娜叫

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