一項最新研究認為光子壽命的下限為10的18次方年，或100億億年


由威爾金森各向異性探測器(WMAP)獲取的宇宙微波背景輻射地圖

光子，又稱「光量子」，是光和其它電磁輻射的量子單位。一般認為光子是沒有質量的，然而在一些理論中允許光子擁有非常小的靜止質量，但這樣做就會產生一個後果，那就是光子會最終衰變成一種質量更輕的粒子。而如果這種衰變是確實可能的，光子就是有壽命的。那麼這一壽命值有多長？這是一位德國物理學家近日試圖回答的問題。經過計算，他認為光子的壽命的下限，在其自身的參考系中大約是3年。換算到我們的參考系，那麼這一下限數值就是10的18次方年(1後面18個0，即100億億年)。

　　關於質量

　　有關光子具有質量，並因此具有有限壽命值的情景是難以想像的。我們都知道當天文學家們對遙遠的天體進行觀測時，他們所看到的都是數十億年前發出的極其古老的光子。但是在一些理論中，光子的靜止質量並不為零，儘管這一靜止質量非常小。感謝電磁學測量手段和儀器的進步，其靜止質量數值的上限被限定在10的負18次方電子伏特左右，或者說10的負54次方千克左右。

　　儘管質量如此微小，但只要不為零，光子就將面臨衰變的命運，成為其它更輕的粒子，如中微子或反中微子，或者甚至是超出現有粒子物理標準模型範疇之外的其它目前還未被認知的粒子種類。

　　現在。一位來自德國馬克斯普朗克核物理研究所的物理學家朱利安·海克(Julian Heeck)將尋找有關光子衰變的希望投向了宇宙學觀測之中。他對宇宙微波背景輻射(CMB)開展觀測，這是宇宙誕生時大爆炸的餘暉。

　　背景輻射

　　在宇宙誕生初期，物質和輻射緊密關聯。但隨著宇宙經歷一段急劇膨脹階段，即所謂「暴漲」階段，炙熱的電子等離子體和輕原子核逐漸冷卻，從而首次允許中性原子得以形成。這種物質與輻射之間的「解耦」讓光子在宇宙中首次得以自由傳播。隨著時間推移，這些光子的波長逐漸被宇宙的膨脹效應拉伸，進入微波波段——這是一種近乎均勻的黑體熱能，在宇宙的每個方向都均勻存在，構成宇宙的輻射背景。

　　在宇宙微波背景輻射被發現以來，人們已經進行了超過100次針對這一現象的實驗，其中就包括美國宇航局發射的宇宙背景探測器(COBE)，威爾金森各向異性探測器(WMAP)，以及更近期由歐洲空間局研製並發射的普朗克空間望遠鏡。所有這些探測器都進一步讓我們對這一宇宙背景輻射的測量數據更加精確。事實上，宇宙微波背景輻射(CMB)已經成為自然界中被測量最為精確的黑體輻射。

　　漫長的生命週期

　　海克利用這些數據作為進行其計算的限定條件，他利用精度極高的COBE數據與他計算的光譜進行比對，其中考慮了光子的衰變因素。

　　如果光子擁有質量並且會衰變成質量更輕的粒子，那麼CMB中光子的數量密度會隨時間推移逐漸下降。但這也就意味著CMB光譜將不再與觀測到的近乎完美的熱曲線相吻合。海克推測由於CMB幾乎是一個完美的黑體，因此在宇宙大約138億年的歷史中應當幾乎沒有光子發生了衰變，因此CMB的測量數據可以被用來約束光子的壽命範圍。

　　使用質量與CMB給出的約束條件，海克計算了光子在其本身的參照系內的壽命為3年。但是由於這些光子在宇宙中以接近光速的速度運行，必須考慮鍾慢效應以便將這一壽命值修正為在我們的參照系下的值。而這樣做之後得到的數值則是10的18次方年，或100億億年。要想進一步修正這一數值將會十分困難，除非未來更新的研究將能夠對更早期的宇宙開展考察。