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科学探讨:光子的寿命有多长?会消亡吗?

2020/6/24 8:45:14 来源:原创 浏览:

世间一切终将消逝。许多人都认同关于宇宙的一个绝对真理:植物和动物会腐烂,恒星会爆炸变暗,行星会破碎或烧毁,甚至黑洞也可能发生辐射作用而消散。事实上,构成宇宙万物的原子,随着时间的推移,最终都会衰变为更轻的元素。

但是光呢?它会消逝吗,还是永久存在?

为了回答这个问题,我们需要了解原子是如何工作的。简而言之,任何一个重原子,都有可能发生“放射性衰变”,从而自发地分解为更小的粒子,终导致原子消失。

但是,光是否存在这样一个变化过程呢?

太阳电磁辐射

太阳辐射光谱

太阳辐射的光谱范围很广,几乎涵盖了电磁波的每一个波段。

这个问题最终取决于光子(电磁力的载体,即光)是否有质量。

科学家认为,在一般情况下,光子的质量为零。然而,在科学领域中,当我们开始增加其他变量并予以“假设”时,问题就变得更为复杂了。

如果我们假设,光子有质量呢?

如果一个光子确实具有非零的静止质量,这意味着它可以衰变为较轻的元素。于是光子可以分解成为一些已知的较轻的基本粒子,如中微子和反中微子,或是一个尚未发现的粒子。

但这个假设存在一些问题。根据我们目前的理解,光子不存在静止状态。因此,静止质量的概念并不适用于它。但是在物理学的研究中,我们可以假设光子确实有非零的静止质量。

在之前的实验中,我们得知这个质量的上限。在此基础上,光子又能存活多长时间呢?

马克斯·普朗克核物理研究所的朱利安·希克提出了解决这一问题的方法,并在《物理评论快报》中,计算出了光子能存活的最短时间。

由于光子高速运动会产生时间延缓效应,在光子参照系中,希克发现它的寿命只有三年之短。但是,在我们的参照系中,光的寿命大约为十亿亿(1018)年。

与10,000,000,000,000,000,000年相比,宇宙只有13,800,000,000年的历史。这个巨大的数字差距意味着,无论如何,光子永远存在。

光的波粒二象性

如前面所述,为了得到这个数字,希克需要知道光子静止质量的上限是多少。在之前的分析中,希克限制其为10-18电子伏特(10-54公斤)。之后,希克利用自然界中最精确的黑体光谱—宇宙微波背景辐射(CMB)光谱来完成他的研究。如果光子确实有质量,并且可以衰变为较轻的粒子,那么随着光子的移动,CMB中光子的数量密度应该会减少。

在上述质量与CMB的组合约束下,希克的分析表明,可见波长光子至少在1018年内是稳定的。

光子是一种基本粒子。它是电磁场的量子,包括光和无线电波等电磁辐射,以及电磁力的载体(甚至通过虚拟粒子静止)。光子的不变质量为零,它在真空中总是以光速运动。

光的波粒二象性

同所有的基本粒子一样,量子力学是对其最好的解释。光子具有波粒二象性,同时表现出波和粒子的性质。例如,单光子可以被透镜折射并与自身发生干涉现象,它同时也可以表现为一个具有确定和有限的可测量位置或动量的粒子。但根据海森堡的不确定性原理,这两种情况并不一定同时发生。

光子的波和量子特性是同一现象的两个不同观察面,它们不能用任何力学模型来描述。在描述光的双重属性时,不能假设其能量在波前的某些点,因为光波中的量子在空间上无法具体定位。

作者: futurism

FY: a

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