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光子的寿命是多长?

今天小编为大家带来了一篇《光子的寿命是多长?》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

在整个宇宙中,光子的寿命是多少?

通常情况下,光子——光量子或其他电磁辐射被认为其质量为零。但是有些理论允许光子具有较小的静止质量,而其结果之一则是光子会随后衰减为较轻的基本粒子。因此,如果这种衰变可能发生,那么光子寿命的极限是多少?这是一位德国物理学家所提出的问题,他计算出,在光子的参考系下,光子寿命的下限为三年。而这在我们的参考系中意味着约十亿(1018)年。

关于质量的问题

光子的寿命有限,因此质量有限,这一点是很难想象的。确实,看着遥远的宇宙天体,天文学家通常会探测到拥有数十亿年的年纪的光子。但是一些理论认为,光子的静止质量可能不为零,尽管很小——由于电场和磁场的影响,光子质量的上限被限制在10–18eV或10–54kg。而且由于这尽管很小的质量,光子可能会衰减为其他更轻的基本粒子,例如一对最轻的中微子和反中微子,或者 甚至是目前未知且超出粒子物理学标准模型的粒子。

现在,在德国海德堡,马克斯·普朗克核物理研究所(Max Planck Institute for Nuclear Physics)的朱利安埃克(Julian Heeck),已经把目光转向宇宙观测,寻找光子衰减的迹象(物理评论快报(Phys. Rev. Lett.)。)。他研究了宇宙微波背景辐射(CMB),这是大爆炸的残余,形成于宇宙非常年轻——只有38万岁的时候。

背景光

在此之前,物质和辐射之间存在内在联系。但是,当宇宙经历了一段被称为“暴涨”的极端增长时期并膨胀时,由电子和光原子核组成的热等离子体冷却到足以形成中性原子。物质与辐射的这种“解除耦合”突然允许光子在宇宙中自由行进。随着时间的推移,它们的波长随着宇宙的膨胀而被拉长,在光谱的微波区域中留下微弱的辐射光——发射出一种均匀的黑体热能,如今我们可以沿着每个方向都检测到。

自从CMB首次被发现以来,已经有100多个实验对它进行了研究,包括美国宇航局的宇宙背景探测器(COBE)卫星,其威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),以及欧洲航天局的普朗克任务,所有这些都对这种辐射进行了越来越精确的测量。实际上,CMB光谱是自然界中测量最精确的黑体光谱。

长寿命

埃克使用此光谱作为计算的约束条件——他使用了来自COBE任务的极其准确的数据,并将其与他计算出的光谱(包括光子衰减)进行了比较。

如果光子具有质量并且正在衰变为更轻的粒子,则CMB中的光子的数量密度应随光子的运动而减小。但这反过来又意味着,CMB光谱将不再符合我们所观察到的近乎完美的热曲线。Heeck解释说,由于CMB几乎是一个完美的黑体,在宇宙存在的138亿年中,几乎没有光子(如果有的话)会衰减,因此CMB的测量会限制光子的寿命。

结合质量约束条件和CMB约束条件,埃克计算出光子在其自身静止框架内的寿命为三年。但是,当这些质量很小的光子以接近光速的速度运动时,时间膨胀因素必须被考虑进去,由此才能在我们的可见光参照系中计算其寿命——计算得出的时间为1018年或10亿亿年。在新的研究可以进一步探究早期宇宙之前,提高这个极限可能是困难的。

作者: physicsworld

FY: 菲奥娜叫

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