photon01 物质与辐射之间的“解耦”让光子在宇宙中首次得以自由传播;随着时间推移，这些光子的波长逐渐被宇宙的膨胀效应拉伸，进入微波波段——这是一种近乎均匀的黑体热能，在宇宙的每个方向都均匀存在，构成宇宙的辐射背景

研究称光子寿命比宇宙更长：下限100亿亿年

2013-08-01 14:25:00

一项最新研究认为光子寿命的下限为10的18次方年，或100亿亿年

由威尔金森各向异性探测器(WMAP)获取的宇宙微波背景辐射地图

正在太空运行的威尔金森各向异性探测器（WMAP） 新浪科技讯 北京时间8月1日消息，据《物理世界》网站报道，光子，又称“光量子”，是光和其它电磁辐射的量子单位。一般认为光子是没有质量的，然而在一些理论中允许光子拥有非常小的静止质量，但这样做就会产生一个后果，那就是光子会最终衰变成一种质量更轻的粒子。而如果这种衰变是确实可能的，光子就是有寿命的。那么这一寿命值有多长？这是一位德国物理学家近日试图回答的问题。经过计算，他认为光子的寿命的下限，在其自身的参考系中大约是3年。换算到我们的参考系，那么这一下限数值就是10的18次方年(1后面18个0，即100亿亿年)。有关此项研究的论文已经发表于近期出版的《物理评论快报》上。
关于质量
有关光子具有质量，并因此具有有限寿命值的情景是难以想象的。我们都知道当天文学家们对遥远的天体进行观测时，他们所看到的都是数十亿年前发出的极其古老的光子。但是在一些理论中，光子的静止质量并不为零，尽管这一静止质量非常小。感谢电磁学测量手段和仪器的进步，其静止质量数值的上限被限定在10的负18次方电子伏特左右，或者说10的负54次方千克左右。
尽管质量如此微小，但只要不为零，光子就将面临衰变的命运，成为其它更轻的粒子，如中微子或反中微子，或者甚至是超出现有粒子物理标准模型范畴之外的其它目前还未被认知的粒子种类。
现在。一位来自德国马克斯普朗克核物理研究所的物理学家朱利安·海克(Julian Heeck)将寻找有关光子衰变的希望投向了宇宙学观测之中。他对宇宙微波背景辐射(CMB)开展观测，这是宇宙诞生时大爆炸的余晖。
背景辐射
在宇宙诞生初期，物质和辐射紧密关联。但随着宇宙经历一段急剧膨胀阶段，即所谓“暴涨”阶段，炙热的电子等离子体和轻原子核逐渐冷却，从而首次允许中性原子得以形成。这种物质与辐射之间的“解耦”让光子在宇宙中首次得以自由传播。随着时间推移，这些光子的波长逐渐被宇宙的膨胀效应拉伸，进入微波波段——这是一种近乎均匀的黑体热能，在宇宙的每个方向都均匀存在，构成宇宙的辐射背景。
在宇宙微波背景辐射被发现以来，人们已经进行了超过100次针对这一现象的实验，其中就包括美国宇航局发射的宇宙背景探测器(COBE)，威尔金森各向异性探测器(WMAP)，以及更近期由欧洲空间局研制并发射的普朗克空间望远镜。所有这些探测器都进一步让我们对这一宇宙背景辐射的测量数据更加精确。事实上，宇宙微波背景辐射(CMB)已经成为自然界中被测量最为精确的黑体辐射。
漫长的生命周期
海克利用这些数据作为进行其计算的限定条件，他利用精度极高的COBE数据与他计算的光谱进行比对，其中考虑了光子的衰变因素。
如果光子拥有质量并且会衰变成质量更轻的粒子，那么CMB中光子的数量密度会随时间推移逐渐下降。但这也就意味着CMB光谱将不再与观测到的近乎完美的热曲线相吻合。海克推测由于CMB几乎是一个完美的黑体，因此在宇宙大约138亿年的历史中应当几乎没有光子发生了衰变，因此CMB的测量数据可以被用来约束光子的寿命范围。
使用质量与CMB给出的约束条件，海克计算了光子在其本身的参照系内的寿命为3年。但是由于这些光子在宇宙中以接近光速的速度运行，必须考虑钟慢效应以便将这一寿命值修正为在我们的参照系下的值。而这样做之后得到的数值则是10的18次方年，或100亿亿年。要想进一步修正这一数值将会十分困难，除非未来更新的研究将能够对更早期的宇宙开展考察。(晨风)