光子的寿命是多长？

在整个宇宙中，光子的寿命是多少？

通常情况下，光子——光量子或其他电磁辐射被认为其质量为零。但是有些理论允许光子具有较小的静止质量，而其结果之一则是光子会随后衰减为较轻的基本粒子。因此，如果这种衰变可能发生，那么光子寿命的极限是多少？这是一位德国物理学家所提出的问题，他计算出，在光子的参考系下，光子寿命的下限为三年。而这在我们的参考系中意味着约十亿（1018）年。

关于质量的问题

光子的寿命有限，因此质量有限，这一点是很难想象的。确实，看着遥远的宇宙天体，天文学家通常会探测到拥有数十亿年的年纪的光子。但是一些理论认为，光子的静止质量可能不为零，尽管很小——由于电场和磁场的影响，光子质量的上限被限制在10 –18  eV或10 –54 kg。而且由于这尽管很小的质量，光子可能会衰减为其他更轻的基本粒子，例如一对最轻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学标准模型的粒子。

现在，在德国海德堡，马克斯·普朗克核物理研究所（Max Planck Institute for Nuclear Physics）的朱利安埃克（Julian Heeck），已经把目光转向宇宙观测，寻找光子衰减的迹象（物理评论快报（Phys. Rev. Lett.）。 ）。他研究了宇宙微波背景辐射(CMB)，这是大爆炸的残余，形成于宇宙非常年轻——只有38万岁的时候。

背景光

在此之前，物质和辐射之间存在内在联系。但是，当宇宙经历了一段被称为“暴涨”的极端增长时期并膨胀时，由电子和光原子核组成的热等离子体冷却到足以形成中性原子。物质与辐射的这种“解除耦合”突然允许光子在宇宙中自由行进。随着时间的推移，它们的波长随着宇宙的膨胀而被拉长，在光谱的微波区域中留下微弱的辐射光——发射出一种均匀的黑体热能，如今我们可以沿着每个方向都检测到。

自从CMB首次被发现以来，已经有100多个实验对它进行了研究，包括美国宇航局的宇宙背景探测器(COBE)卫星，其威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），以及欧洲航天局的普朗克任务，所有这些都对这种辐射进行了越来越精确的测量。实际上，CMB光谱是自然界中测量最精确的黑体光谱。

长寿命

埃克使用此光谱作为计算的约束条件——他使用了来自COBE任务的极其准确的数据，并将其与他计算出的光谱（包括光子衰减）进行了比较。

如果光子具有质量并且正在衰变为更轻的粒子，则CMB中的光子的数量密度应随光子的运动而减小。但这反过来又意味着，CMB光谱将不再符合我们所观察到的近乎完美的热曲线。Heeck解释说，由于CMB几乎是一个完美的黑体，在宇宙存在的138亿年中，几乎没有光子（如果有的话）会衰减，因此CMB的测量会限制光子的寿命。

结合质量约束条件和CMB约束条件，埃克计算出光子在其自身静止框架内的寿命为三年。但是，当这些质量很小的光子以接近光速的速度运动时，时间膨胀因素必须被考虑进去，由此才能在我们的可见光参照系中计算其寿命——计算得出的时间为1018年或10 亿亿年。在新的研究可以进一步探究早期宇宙之前，提高这个极限可能是困难的。

作者: physicsworld