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穿越宇宙——光子的寿命究竟有多长?

2013-07-30 22:36:42 来源:

光子,即光或其它电磁辐射的量子化粒子,通常被认为没有 质量[1]。但有一些理论允许光子携带一个很小的静止质量,而这样导致的一个结果就是光子会衰变成更轻的基本粒子。如果这样的衰变是可能的,那么光子寿命的极限是多少?提出这个问题的是一位德国物理学家,他计算出光子寿命的下限在光子参考系里是三年。这样,换算到我们的参考系里就大概是一百亿亿(10^18)年[2]。

质量的问题

光子拥有有限的寿命、因而具有质量这一点,是很难想象的。其实,探测宇宙深空物体的天文学家经常会探测到几十亿年的光子。但一些理论家还是认为光子具有一个非零的静止质量,即使它非常小——其上限在10–18 eV或10–54 kg以内,这是根据有关电场和磁场的实验得出的。有了这么一个小的质量,光子就可以衰变成其它更轻的基本粒子,比如最轻的中微子和反中微子对,甚至是粒子物理标准模型之外的未知粒子。

现在,德国海德尔堡马克斯·普朗克研究所核物理所的Julian Heeck开始转向天文观测,以期找到光子衰变的迹象(参见《物理评论快报》第111卷021801页)。他观察的是宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB),这是大爆炸之后,宇宙还很年轻时的残留物,距创生只有大概380000年。

背景闪烁

在那个时间点之前,物质和辐射本质上是相连系的。但随着宇宙经历了一个称为“暴胀”的极端成长过程,开始膨胀,电子和轻核组成的热等离子体冷却到足够形成中性原子。物质和辐射的这一“退耦合”让光子可以自由地穿越宇宙[3]。随着时间的流逝,它们的波长被宇宙的膨胀拉长,而只在一个均匀黑体热能辐射的波普的微波段留下了淡淡的闪烁。我们现在在每个方向上都能探测到它。

自从CMB发现以来,已经有超过100个研究它的实验了,包括NASA的宇宙背景探测(Cosmic Background Explorer, COBE)卫星,还有它的维金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP),以及欧洲太空总局的普朗克计划(Planck mission)。这些都对这个辐射进行了越来越精密的测定。实际上,CMB频谱是自然界中测量最精确的黑体频谱。

很长的寿命

Heeck就是用的这份频谱作为计算的限制的——他使用的是来自COBE任务的极其精确的数据,将其与自己加入光子衰变计算出来的频谱进行对比。

如果光子具有质量,并且会衰变成更轻的粒子,那么光子在CMB中的数密度就应该随着光子的运动而减少。但这就意味着CMB频谱不会符合观测到的近乎完美的热辐射曲线。Heeck推理认为,因为CMB是一个几乎完美的黑体,在宇宙138亿年的岁月里只有很少(如果有的话)的光子衰变了。这样,CMB的测量就可以给光子的寿命设限。

通过组合考虑质量与CMB的限制,Heeck计算出光子在自身参考系中的寿命是三年。但因为具有微小质量的光子以接近光速的速度在运动,利用时间膨胀可以得到它们在我们参考系中的寿命。对可见光,其结果为1018或一百亿亿年。在能够探测更早期宇宙的新研究出现前,要改进这一时阈还很艰难。

这项研究发表在《物理评论快报》上。

关于作者

Tushna Commissariat是物理世界网的记者。

注释:

[1]本文中的“质量”,均是指“静止质量”。根据狭义相对论,质量和能量是相联系的,因此运动的物体的质量与其静止时的质量不同。

[2]根据狭义相对论,运动物体的时间相对观察者会“变慢”。物体的运动速度越快,其时间流逝“越慢”,此效应称为“时间膨胀”。因为光子对(除自身的)任何参考系都是以光速运动,因此对我们来说,其固有寿命(三年)被大大拉长了。

[3]因为在此之前,极热的等离子体会不断吸收(并放出)光子。

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