科學探討：光子的壽命有多長？會消亡嗎？

世間一切終將消逝。許多人都認同關於宇宙的一個絕對真理：植物和動物會腐爛，恆星會爆炸變暗，行星會破碎或燒燬，甚至黑洞也可能發生輻射作用而消散。事實上，構成宇宙萬物的原子，隨着時間的推移，最終都會衰變為更輕的元素。

但是光呢？它會消逝嗎，還是永久存在？

為了回答這個問題，我們需要了解原子是如何工作的。簡而言之，任何一個重原子，都有可能發生“放射性衰變”，從而自發地分解為更小的粒子，終導致原子消失。

但是，光是否存在這樣一個變化過程呢？

太陽電磁輻射

太陽輻射光譜

太陽輻射的光譜範圍很廣，幾乎涵蓋了電磁波的每一個波段。

這個問題最終取決於光子（電磁力的載體，即光）是否有質量。

科學家認為，在一般情況下，光子的質量為零。然而，在科學領域中，當我們開始增加其他變量並予以“假設”時，問題就變得更為複雜了。

如果我們假設，光子有質量呢？

如果一個光子確實具有非零的靜止質量，這意味着它可以衰變為較輕的元素。於是光子可以分解成為一些已知的較輕的基本粒子，如中微子和反中微子，或是一個尚未發現的粒子。

但這個假設存在一些問題。根據我們目前的理解，光子不存在靜止狀態。因此，靜止質量的概念並不適用於它。但是在物理學的研究中，我們可以假設光子確實有非零的靜止質量。

在之前的實驗中，我們得知這個質量的上限。在此基礎上，光子又能存活多長時間呢？

馬克斯·普朗克核物理研究所的朱利安·希克提出瞭解決這一問題的方法，並在《物理評論快報》中，計算出了光子能存活的最短時間。

由於光子高速運動會產生時間延緩效應，在光子參照系中，希克發現它的壽命只有三年之短。但是，在我們的參照系中，光的壽命大約為十億億（1018）年。

與10,000,000,000,000,000,000年相比，宇宙只有13,800,000,000年的歷史。這個巨大的數字差距意味着，無論如何，光子永遠存在。

光的波粒二象性

如前面所述，為了得到這個數字，希克需要知道光子靜止質量的上限是多少。在之前的分析中，希克限制其為10-18電子伏特（10-54公斤）。之後，希克利用自然界中最精確的黑體光譜—宇宙微波背景輻射（CMB）光譜來完成他的研究。如果光子確實有質量，並且可以衰變為較輕的粒子，那麼隨着光子的移動，CMB中光子的數量密度應該會減少。

在上述質量與CMB的組合約束下，希克的分析表明，可見波長光子至少在1018年內是穩定的。

光子是一種基本粒子。它是電磁場的量子，包括光和無線電波等電磁輻射，以及電磁力的載體（甚至通過虛擬粒子靜止）。光子的不變質量為零，它在真空中總是以光速運動。

光的波粒二象性

同所有的基本粒子一樣，量子力學是對其最好的解釋。光子具有波粒二象性，同時表現出波和粒子的性質。例如，單光子可以被透鏡折射並與自身發生干涉現象，它同時也可以表現為一個具有確定和有限的可測量位置或動量的粒子。但根據海森堡的不確定性原理，這兩種情況並不一定同時發生。

光子的波和量子特性是同一現象的兩個不同觀察面，它們不能用任何力學模型來描述。在描述光的雙重屬性時，不能假設其能量在波前的某些點，因為光波中的量子在空間上無法具體定位。

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