光子的寿命有多长.docx

光子的寿命有多长？穿越宇宙——光子的寿命究竟有多长？光子，即光或其它电磁辐射的量子化粒子，通常被认为没有质量［1］但有一些理 论允许光子携带一个很小的静止质量，而这样导致的一个结果就是光子会衰变成 更轻的基本粒子如果这样的衰变是可能的，那么光子寿命的极限是多少？提出 这个问题的是一位德国物理学家，他计算出光子寿命的下限在光子参考系里是三 年这样，换算到我们的参考系里就大概是一百亿亿（1018）年［2］质量的问题光子拥有有限的寿命、因而具有质量这一点，是很难想象的其实，探测宇宙深 空物体的天文学家经常会探测到几十亿年的光子但一些理论家还是认为光子具 有一个非零的静止质量，即使它非常小 其上限在10-18 eV或IO® kg以内，这是根据有关电场和磁场的实验得出的有了这么一个小的质量，光子就可以衰 变成其它更轻的基本粒子，比如最轻的中微子和反中微子对，甚至是粒子物理标 准模型之外的未知粒子现在，德国海德尔堡马克斯•普朗克研究所核物理所的Julian Heeck开始转向 天文观测，以期找到光子衰变的迹象(参见《物理评论快报》第 111 卷 021801 页)他观察的是宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)，这是 大爆炸之后，宇宙还很年轻时的残留物，距创生只有大概 380000年。

背景闪烁在那个时间点之前，物质和辐射本质上是相连系的但随着宇宙经历了一个称为 “暴胀”的极端成长过程，开始膨胀，电子和轻核组成的热等离子体冷却到足够 形成中性原子物质和辐射的这一“退耦合”让光子可以自由地穿越宇宙［3］随 着时间的流逝，它们的波长被宇宙的膨胀拉长，而只在一个均匀黑体热能辐射的 波普的微波段留下了淡淡的闪烁我们现在在每个方向上都能探测到它自从CMB发现以来，已经有超过100个研究它的实验了，包括NASA的宇宙背景 探测(Cosmic Background Explorer, COBE)卫星，还有它的维金森微波各向异 性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP，以及欧洲太空总 局的普朗克计划(Planck mission)这些都对这个辐射进行了越来越精密的测 定实际上，CMB频谱是自然界中测量最精确的黑体频谱很长的寿命Heeck就是用的这份频谱作为计算的限制的一一他使用的是来自COBE任务的极 其精确的数据，将其与自己加入光子衰变计算出来的频谱进行对比如果光子具有质量，并且会衰变成更轻的粒子，那么光子在CMB中的数密度就应 该随着光子的运动而减少。

但这就意味着CMB频谱不会符合观测到的近乎完美的 热辐射曲线Heeck推理认为，因为CMB是一个几乎完美的黑体，在宇宙138亿 年的岁月里只有很少(如果有的话)的光子衰变了这样，CMB的测量就可以给 光子的寿命设限通过组合考虑质量与CMB的限制，Heeck计算出光子在自身参考系中的寿命是三 年但因为具有微小质量的光子以接近光速的速度在运动，利用时间膨胀可以得 到它们在我们参考系中的寿命对可见光，其结果为1018或一百亿亿年在能够 探测更早期宇宙的新研究出现前，要改进这一时阈还很艰难这项研究发表在《物理评论快报》上关于作者Tushna Commissariat 是物理世界网的记者注释：[1] 本文中的“质量”，均是指“静止质量”根据狭义相对论，质量和能量是 相联系的，因此运动的物体的质量与其静止时的质量不同[2] 根据狭义相对论，运动物体的时间相对观察者会“变慢”物体的运动速度 越快，其时间流逝“越慢”，此效应称为“时间膨胀”因为光子对（除自身的） 任何参考系都是以光速运动，因此对我们来说，其固有寿命（三年）被大大拉长 了[3] 因为在此之前，极热的等离子体会不断吸收（并放出）光子。