宇宙万物，为什么只有光是永生的？

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在整个宇宙中，只有少数粒子是永恒稳定的。光子，即光的量子，它具有无限的寿命。但，事实真的是这样吗？

通过向半透明/半反射薄介质发射光脉冲，研究人员可以测量这些光子穿过屏障到达另一侧所需的时间。虽然隧道本身的步骤可能是瞬时的，但行进的粒子仍然受到光速的限制，虽然光子可以被吸收和重新发射，但要以任何方式破坏光子都不是那么容易。

关键要点

• 在不断膨胀的宇宙中，数十亿年来，光子似乎是极少数具有无限生命的粒子之一。

• 光子是组成光的量子，在没有任何其他相互作用迫使它们改变其特性的情况下，光子是永远稳定的，没有迹象表明它们会转变为任何其他粒子。

• 但是我们有多了解这是真的，我们可以指出哪些证据来确定它们的稳定性？这是一个引人入胜的问题，它将我们推向了我们可以科学观察和测量的极限。

整个宇宙中我们可以百分百确定的一件事就是，现在存在的一切总有一天都会走到尽头。占据我们宇宙空间的恒星、星系，甚至连黑洞总有一天会燃烧殆尽并消失，或者以其他方式衰变，留下我们所认为的“热寂”状态：没有更多的能量可能以任何方式从均匀的最大熵平衡状态中提取。但是，也许这条一般规则下也有例外，因为有些东西真的会永远存在。

它就是光子：即光的量子。宇宙中存在的所有电磁辐射都是由光子组成的，而据我们所知，光子的寿命是无限的，那这是否就意味着光也会永远存在？

只有通过将来自遥远物体的光分解成其组成波长，并通过识别可以与红移相关联的原子或离子电子跃迁的特征，从而与膨胀的宇宙相关联时，才能确定红移（以及距离）到达。这是发现的支持宇宙膨胀的关键证据的一部分。

光子寿命有限的问题第一次出现时，有一个很好的理由：我们刚刚发现了宇宙膨胀的关键证据。天空中的螺旋星云和椭圆星云被证明是星系，或当时所知的“岛屿宇宙”，远远超出了银河系的规模和范围。这些数百万、数十亿甚至数万亿颗恒星的集合位于至少数百万光年之外，将它们置于银河系之外。此外，很快就表明这些遥远的物体不仅距离很远，而且它们似乎正在远离我们，因为平均而言，它们越远，来自它们的光就越有系统地向更红的方向移动和更红的波长。

当然，当这些数据在 20 年代和 30 年代广泛可用时，我们已经了解了光的量子性质，这告诉我们光的波长决定了它的能量。我们还很好地掌握了狭义相对论和广义相对论，它告诉我们，一旦光离开光源，改变其频率的唯一方法是：

1. 让它与某种形式的物质和/或能量相互作用，
2. 让观察者朝向或远离观察者移动，
3. 或者让空间本身的曲率特性发生变化，例如由于引力红移/蓝移或宇宙的膨胀/收缩。

特别是第一个可能的解释导致了一种引人入胜的替代宇宙学的形成：疲倦的光宇宙学。

星系越远，它向远离我们的方向膨胀的速度越快，它的光看起来越红移。与膨胀的宇宙一起移动的星系，今天的光年数甚至比从它发出的光到达我们所用的年数（乘以光速）还要多。但是，如果我们将红移和蓝移归因于运动（狭义相对论）和空间扩展结构（广义相对论）贡献的组合，我们才能理解红移和蓝移。如果光只是变得“疲倦”，则会出现一系列不同的可观察结果。

Fritz Zwicky 于 1929 年首次提出——是的，就是 Fritz Zwicky，他创造了超新星一词，首先提出了暗物质假说，并且曾经试图通过他的望远镜管发射步枪来“静止”湍流的大气空气——疲倦光假说提出了传播光通过与星系间空间中存在的其他粒子碰撞而损失能量的概念。逻辑上传播的空间越大，这些相互作用损失的能量就越多，这就是解释为什么光在更远的地方看起来更严重红移的原因，而不是特殊的速度或宇宙膨胀对象。

但是，为了使这种情况正确，有两个预测应该是正确的。

1.) 当光穿过介质时，即使是稀疏介质，它也会从真空中的光速减慢到该介质中的光速。减速会以不同的量影响不同频率的光。正如穿过棱镜的光会分裂成不同的颜色一样，穿过与其相互作用的星际介质的光应该使不同波长的光减慢不同的量。当光重新进入真正的真空时，它将在真空中恢复以光速移动。

连续光束被棱镜分散的动画示意图。请注意光的波动性如何与白光可以分解成不同颜色的事实相一致并得到更深入的解释。然而，辐射不会在所有波长和频率下连续发生，而是被量化为单独的能量包：光子。

然而，当我们观察来自不同距离光源的光时，我们发现光表现出的红移量与波长无关。相反，在所有距离上，观察到所有波长的发射光都以与所有其他波长完全相同的因子发生红移；红移与波长无关。由于这种零观测，累光宇宙学的第一个预测被证伪了。

但还有第二个预测需要应对。

2.) 如果较远的光比较近的光通过更长长度的“有损介质”损失更多的能量，那么那些较远的物体应该看起来比较近的物体越来越模糊。

再一次，当我们去检验这个预测时，我们发现它根本没有被观察所证实。当与距离较近的星系并排观察时，距离较远的星系与距离较近的星系一样清晰、分辨率高。例如，对于斯蒂芬五重奏中的所有五个星系，以及五重奏的所有五个成员背后可见的背景星系，都是如此。这个预测也被证伪了。

天文新纪元

JWST 于 2022 年 7 月 12 日揭示的斯蒂芬五重奏的主要星系。左边的星系与其他星系的距离仅为约 15%，而背景星系的距离要远几十倍。然而，它们都同样锐利，证明了预测“模糊度”随着红移增加而增加的疲倦光假说是没有根据的。

虽然这些观察结果足以证明疲倦光假说是正确的——而且，事实上，一旦它被提出，也足以立即证明它是错误的——这只是光可能不稳定的一种可能方式。光可能会熄灭或转化为其他粒子，有一系列有趣的方法可以考虑这些可能性。

第一个原因仅仅是因为我们有宇宙红移这一事实。产生的每一个光子，无论它是如何产生的，无论是热产生的还是来自量子跃迁或任何其他相互作用，都会流过宇宙，直到它与另一个能量量子发生碰撞和相互作用。但是，如果你是一个从量子跃迁中发射出来的光子，除非你能以相当快的方式参与逆量子反应，否则你将开始穿越星际空间，随着宇宙的膨胀，你的波长会像你一样伸展。如果你不够幸运被具有正确允许跃迁频率的量子束缚态吸收。

这张来自汞蒸气灯的三组不同光谱线的合成显示了磁场可能产生的影响。在 (A) 中，没有磁场。在 (B) 和 (C) 中，有一个磁场，但它们的方向不同，这解释了谱线的差异分裂。许多原子在没有应用外场的情况下表现出这种精细结构甚至超精细结构，而在构建功能原子钟时，这些转变是必不可少的。在量子系统中，能级之间的能量差可以有多小是有限制的，一旦光子滑落到该能量阈值以下，它就再也不会被吸收了。

然而，所有光子都存在第二组可能性：它们可以与原本自由的量子粒子相互作用，产生任意数量的效应之一。

这可能包括散射，其中带电粒子（通常是电子）吸收并重新发射光子。这涉及能量和动量的交换，并且可以将带电粒子或光子提升到更高的能量，而代价是使另一个具有更少的能量。

在足够高的能量下，一个光子与另一个粒子的碰撞——如果能量足够高，甚至是另一个光子——可以自发地产生粒子-反粒子对，前提是有足够的可用能量通过爱因斯坦的E = mc²使它们都形成。事实上，即使能量非常低的光子是宇宙微波背景的一部分：宇宙大爆炸的残余辉光，所有宇宙射线中能量最高的宇宙射线也能做到这一点。对于能量高于 ~10 17 eV 的宇宙射线，单个典型的 CMB 光子有机会产生电子-正电子对。在更高的能量下，更像是 ~10 20在能量为 eV 的情况下，CMB 光子有很大的机会转化为中性介子，从而相当快地夺走宇宙射线的能量。这是最高能量宇宙射线数量急剧下降的主要原因：它们超过了这个临界能量阈值。

最高能量宇宙射线的能谱，由检测到它们的合作提供。从实验到实验的结果都非常一致，并且在 ~5 x 10^19 eV 的 GZK 阈值处显着下降。尽管如此，许多这样的宇宙射线仍然超过了这个能量阈值，这表明要么这张图片不完整，要么许多最高能量的粒子是更重的原子核，而不是单个质子。

换句话说，即使是能量非常低的光子也可以通过与另一个能量足够高的粒子碰撞而转化为其他粒子——非光子。

还有第三种改变光子的方法，使其超越宇宙膨胀或通过转化为具有非零静止质量的粒子：通过散射导致产生更多光子的粒子。实际上，在每个电磁相互作用或带电粒子与至少一个光子之间的相互作用中，都存在量子场论中出现的所谓“辐射校正”。对于开始时和结束时存在相同数量光子的每个标准交互，有不到 1% 的机会——更具体地说，更像是 1/137——你最终会辐射出一个额外的光子你开始时的数字结束。

每当你拥有一个具有正静止质量和正温度的高能粒子时，这些粒子也会辐射光子：以光子的形式损失能量。

光子非常非常容易产生，虽然可以通过诱导适当的量子跃迁来吸收它们，但大多数激发会在给定的时间后去激发。就像那句老话“上升必降”，通过吸收光子而被激发到更高能量的量子系统最终也会退激发，产生至少相同数量的光子，通常具有相同的网络能量，因为首先被吸收了。

当氢原子形成时，它有相同的概率使电子和质子的自旋对齐和反对齐。如果它们是反对齐的，则不会发生进一步的跃迁，但如果它们对齐，它们可以量子隧道进入较低的能量状态，在非常特定且相当长的时间尺度上发射非常特定波长的光子。一旦这个光子红移了足够多的量，它就不能再被吸收并经历这里所示的逆反应。

鉴于产生光子的方法有很多种，您可能会垂涎三尺地寻找摧毁它们的方法。毕竟，仅仅等待宇宙红移的影响将它们降低到渐近的低能量值和密度将需要任意长的时间。每当宇宙膨胀 2 倍时，光子形式的总能量密度就会下降 16 倍：2 4倍。8 倍是因为光子的数量——尽管有各种方法可以产生它们——仍然相对固定，物体之间的距离加倍会使可观测宇宙的体积增加 8 倍：长度加倍，体积加倍宽度，深度加倍。

第四个也是最后一个因数二来自宇宙膨胀，它将波长拉伸到原来波长的两倍，从而使每个光子的能量减半。在足够长的时间尺度上，这将导致以光子形式存在的宇宙能量密度逐渐下降到零，但它永远不会完全达到零。

虽然物质（正常和黑暗）和辐射由于体积增加而随着宇宙膨胀而变得不那么密集，但暗能量以及膨胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度保持不变。

你可能会尝试变聪明，并想象某种奇异的超低质量粒子与光子耦合，光子可以在适当的条件下转化为这种粒子。某种玻色子或伪标量粒子——如轴子或轴子、中微子凝聚体或某种奇异的库珀对——可能恰恰导致这种情况发生，但同样，这只有在光子的能量足够高以至通过E = mc²转换为具有非零静止质量的粒子。一旦光子的能量红移到临界阈值以下，它就不再起作用了。

同样，您可能会想到吸收光子的最终方式：让它们遇到黑洞。一旦任何东西从事件视界外进入到事件视界内，它不仅永远无法逃脱，而且总是会增加黑洞本身的静止质量能量。是的，随着时间的推移，宇宙中会出现许多黑洞，随着时间的推移，它们的质量和大小都会增加。

但即便如此，也只会在一定程度上发生。一旦宇宙的密度下降到某个阈值以下，黑洞将开始通过霍金辐射衰减的速度快于它们的生长速度，这意味着产生的光子数量比最初进入黑洞的光子数量还要多。在接下来的约10100年左右，宇宙中的每个黑洞最终都会完全衰变，绝大部分衰变产物是光子。

虽然没有光可以从黑洞的事件视界内部逃逸，但黑洞外部的弯曲空间导致事件视界附近不同点的真空状态存在差异，从而导致通过量子过程发射辐射。这就是霍金辐射的来源，对于迄今为止发现的质量最低的黑洞，霍金辐射将导致它们在 ~10^68 年内完全衰变。由于这个确切的过程，即使是最大质量的黑洞，也不可能存活超过 10^103 年左右。

那么它们会灭绝吗？不是根据目前理解的物理定律。事实上，情况比你可能意识到的还要可怕。您可以想到曾经或将要成为的每个光子：

• 创造于大爆炸，
• 由量子跃迁产生，
• 由辐射校正创建，
• 通过释放能量创造，
• 或通过黑洞衰变产生，

即使你等待所有这些光子由于宇宙的膨胀而达到任意低的能量，宇宙仍然不会没有光子。

为什么？

因为宇宙中仍然存在暗能量。正如具有事件视界的物体（如黑洞）会由于接近和远离事件视界的加速度差异而不断发射光子一样，具有宇宙学（或更专业地说，Rindler ）的物体也会如此）地平线。爱因斯坦的等效原理告诉我们，观察者无法区分引力加速度或任何其他原因引起的加速度，并且由于暗能量的存在，任何两个未绑定的位置都会出现相对加速。产生的物理结果是相同的：不断发出热辐射。根据我们今天推断的宇宙学常数的值，这意味着温度约为 10 的黑体辐射光谱–30 K 将永远渗透整个空间，无论我们走到多远的未来。

就像黑洞在事件视界外持续产生霍金辐射形式的低能量热辐射一样，具有暗能量（以宇宙学常数的形式）的加速宇宙将持续产生完全类似形式的辐射：Unruh由于宇宙视界而产生的辐射。

即使在它的尽头，无论我们走到多远的未来，宇宙都会继续产生辐射，确保它永远不会达到绝对零，它永远包含光子，即使在最低能量下它也会永远到达，应该没有其他东西可以让光子衰变或过渡到。尽管宇宙的能量密度会随着宇宙的膨胀而继续下降，并且任何单个光子的固有能量都会随着时间的流逝而继续下降，并且会随着时间的流逝而继续下降，但是永远没有比它们转变“更基本”的东西了进入。

当然，我们可以编造一些奇异的场景来改变故事。也许光子确实有一个非零的静止质量，当足够的时间过去时，导致它们减速到低于光速。也许光子真的是天生不稳定的，还有其他一些真正没有质量的东西，比如引力子的组合，它们可以衰变成。也许在遥远的未来会发生某种相变，届时光子将揭示其真正的不稳定性，并将衰变为未知的量子态。

但如果我们所拥有的只是我们在标准模型中所理解的光子，那么光子就是真正稳定的。一个充满暗能量的宇宙确保，即使今天存在的光子红移到任意低能量，新的光子总会被创造出来，从而导致宇宙始终具有有限的正光子数和光子能量密度。我们只能在测量到的范围内确定规则，但除非有一大块我们还没有发现的谜题缺失，否则我们可以指望光子可能会消失这一事实，但他们永远不会真正死去。​