基本问题:光会永恒存在吗?似乎知道光来自哪里但它会去哪里?

光会永恒存在吗?有人说会的,有人说不会。光子,即光的量子,已知的是具有很长、很长的寿命,其生命是无限的呢、还是它们会“死亡”并转化为其他粒子?我们看到的光从很久以前的宇宙事件中爆发出来,我们似乎知道它来自哪里,但它会去哪里?

在整个宇宙中,只有少数粒子是永恒稳定存在的。在不断膨胀的宇宙中,数十亿年来,光子似乎是极少数具有近似无限寿命的粒子之一。 光子是构成光的量子,在没有任何其他相互作用迫使它们改变其性质的情况下,它们是永远稳定而存在的,没有任何迹象表明它们会转变为任何其他粒子。 问题是,我们对这个问题的认知有多深?我们可以指出什么证据来确定它们的这种“永恒性”?这是一个使哲学家和科学家们引人入胜的问题,这个问题把我们推到了一个我们可以观察和测量的科学认知极限。

图示:通过半透明/半反射薄介质上发射的光脉冲,研究人员可以测量这些光子穿过屏障到达另一侧所需的时间。虽然隧穿的步骤本身看起来是瞬间的,但行进的粒子仍然受到光速的限制。虽然光子可以被吸收和重新发射,但要以任何方式破坏光子根本不是那么容易。

当代科学普遍认为,整个宇宙中现在存在的一切,总有一天会看到其存在走到尽头。恒星、星系,甚至占据我们宇宙空间的黑洞总有一天会燃烧、消失或衰变,留下我们认为的“热寂”状态:不再有能量可以任何方式从一个均匀的、最大熵的平衡状态中提取出来。但是,这条一般规则也许还有例外,有些东西真的会永远存在。

这种真正恒定存在的实体的一个候选者就是光子,即光量子。宇宙中存在的所有电磁辐射都是由光子组成的,据今所知,光子的寿命是无限的。这是否意味着光将真正永生?

图示:只有通过将来自遥远物体的光分解为其分量波长,并通过识别可以与红移相关联的原子或离子电子跃迁的特征,才能确定膨胀宇宙的红移(因此为距离)。这是支撑宇宙膨胀的关键证据之一。

第一次提出光子寿命有限的观点是有充分理由的:科学家们发现了宇宙膨胀的关键证据。天空中的螺旋星云和椭圆星云被证明是星系,或当时所知的“岛屿宇宙”,远远超出了银河系的规模和范围。这些由数百万、数十亿甚至数万亿颗恒星组成的集合于银河系之外至少数百万光年之外。此外,很快就表明这些遥远的物体不仅离我们很远,而且它们似乎正在远离我们越来越远,平均来说,它们发出的光就越有系统地向更红的方向移动和更红的波长。

当然,当这些数据在1920年代和1930年代被广泛接受时,科学家已经了解了光的量子特性,这告诉我们光的波长决定了它的能量。我们还认知了狭义相对论和广义相对论,它告诉我们,一旦光离开它的源头,你可以改变它的频率的唯一方法是:

3. 或者让空间本身的曲率特性发生变化,例如由于引力红移/蓝移或宇宙的膨胀/收缩。

尤其是第一个可能的解释,导致了一种宇宙学:光衰宇宙学(Tired Light Cosmology)。

图示:星系越远,远离我们的速度越快,它的光看起来越红移。今天,与膨胀的宇宙一起移动的星系,将比从它发出的光到达我们所用的光年还要多。但是,我们只能认知的是,将红移和蓝移归因于运动(狭义相对论)和空间扩张结构(广义相对论)两者的贡献。如果光是简单地“衰落”了,应该会有一系列不同的可观察到的结果。

光衰假说系1929年由弗里茨·兹威基首次提出,他创造了超新星这个词,首先提出了暗物质假说,并且曾经试图通过用他的望远镜管射击来“静止”湍流的大气空气。光衰假说提出了这样的概念,即传播的光通过与星系之间空间中存在的其他粒子碰撞而损失能量。根据这个逻辑,传播通过的空间越多,这些相互作用就会损失越多的能量,这就是为什么光在更远的地方出现更严重的红移的原因,而不是奇特的速度或宇宙膨胀对象。

1.) 当光穿过介质时,即使是稀疏介质,它也会从真空中的光速减慢到该介质中的光速。减速以不同的量影响不同频率的光。就像通过棱镜的光分裂成不同的颜色一样,通过与它相互作用的星际介质的光应该会使不同波长的光减慢不同的量。当那道光重新进入真正的真空时,它将在真空中恢复以光速移动。

图示:连续光束被棱镜分散的示意图动画。如果你有紫外线和红外线的眼睛,你将能够看到紫外线比紫光/蓝光弯曲得更多,而红外光的弯曲度仍然低于红光。光在真空中的速度是恒定的,但是不同波长的光以不同的速度穿过介质。

然而,当我们观察来自不同距离的光源的光时,我们发现光表现出的红移量与波长无关。相反,在所有距离上,观察到发射光的所有波长都发生了与其他所有波长完全相同的红移;红移与波长无关。由于这种观察结果,光衰假说的第一个预测是错误的。

2.) 如果较远的光通过“有损介质”的长度比距离较近的光损失更多的能量,那么那些较远的物体应该看起来比距离较近的物体越来越模糊。

当检验这个预测时,再次发现它根本没有被观察所证实。较远的星系,当与较远的星系一起观察时,看起来与较远的星系一样清晰和高分辨率。例如,斯蒂芬五重星系中的所有五个星系,以及每个星系成员背后可见的背景星系都是如此。这个预测也是错误的。

图示:詹姆斯-韦伯太空望远镜于2022年7月12日披露的斯蒂芬五重星系的主要星系。左边的星系距离其他星系只有约15%左右,而背景星系的距离要远很多倍。然而,它们都同样清晰,表明光衰假设是没有根据的。

虽然这些观察结果足以证伪光衰假设,但这只是光不稳定的一种可能方式。光可能会消亡或转化为其他粒子,并且有一系列有趣的方式来思考这些可能性。

第一个原因仅仅是因为我们有宇宙学红移。产生的每一个光子,无论它是如何产生的,无论是热的还是来自量子跃迁或任何其他相互作用,都将流经宇宙,直到它与另一个能量量子碰撞并相互作用。但是如果是一个从量子跃迁中发射出来的光子,除非能以相当快的方式参与逆量子反应,否则将开始穿越星际空间,由于宇宙的膨胀,如果没有幸运地被具有正确允许跃迁频率的量子束缚态所吸收,波长会伸展。

图示:这种来自汞蒸气灯的三组不同光谱线的合成显示了磁场可能产生的影响。在 (A) 中,没有磁场。在(B)和(C)中,有一个磁场,但它们的方向不同,这解释了谱线的差异分裂。许多原子在没有施加外部场的情况下表现出这种精细结构甚至超精细结构,而在构建功能性原子钟时,这些跃迁是必不可少的。在量子系统中,能级之间的能量差有多小是有限制的,一旦光子滑落到该能量阈值以下,它就不能再被吸收了。

然而,所有光子都存在第二组可能性:它们可以与其他自由量子粒子相互作用,产生任意数量的效应之一。这可能包括散射,其中带电粒子(通常是电子)吸收然后重新发射光子。这涉及能量和动量的交换,并且可以将带电粒子或光子提升到更高的能量,但代价是使另一个具有更少的能量。

在足够高的能量下,一个光子与另一个粒子的碰撞。如果能量足够高,甚至是另一个光子,如果有足够的可用能量使它们都通过爱因斯坦的E = mc^2 ,可以自发地产生粒子-反粒子对。事实上,所有能量最高的宇宙射线都可以做到这一点,即使是作为宇宙微波背景一部分的非常低能量的光子:大爆炸的剩余辉光。对于能量高于~10^17 eV 的宇宙射线,单个典型的 CMB 光子有机会产生电子-正电子对。在更高的能量下,更像在能量 ~10^20 eV 中,CMB 光子有很大的机会转化为中性π介子,从而相当快地夺走宇宙射线的能量。这是最高能量宇宙射线数量急剧下降的主要原因:它们高于这个临界能量阈值。

图示:最高能量宇宙射线的能谱。实验结果都非常一致,并且在 ~5 x 10^19 eV 的 GZK 阈值处显示出显着下降。尽管如此,许多这样的宇宙射线还是超过了这个能量阈值,这表明要么这张图片不完整,要么许多最高能量的粒子是较重的原子核,而不是单个质子。

换句话说,即使是非常低能量的光子也可以通过与另一个足够高能量的粒子碰撞而转化为其他粒子——非光子。

还有第三种方法可以改变宇宙膨胀之外的光子,或者通过转换成具有非零静止质量的粒子:通过散射粒子,从而产生更多的光子。实际上,在每一个电磁相互作用中,或带电粒子与至少一个光子之间的相互作用中,都会出现量子场论中出现的所谓的“辐射校正”。对于在开始时和结束时存在相同数量的光子的每个标准相互作用,有不到 1% 的机会——更具体地说,更像是 1/137——最终会辐射一个额外的光子。

每当拥有一个正静止质量和正温度的高能粒子时,这些粒子也会辐射出光子:以光子的形式失去能量。

光子非常非常容易产生,虽然可以通过诱导适当的量子跃迁来吸收它们,但大多数激发会在给定的时间后去激发。俗话说,上升的东西总有降落的时候,通过吸收光子被激发到更高能量的量子系统最终也会去激发,产生至少相同数量的光子,通常具有相同的网络能量,因为首先被吸收了。

图示:当氢原子形成时,电子和质子的自旋对齐(spins be aligned)和反对齐(spins be anti-aligned)的概率相等。如果它们是反对齐的,则不会发生进一步的跃迁,但如果它们是对齐的,它们可以量子隧道进入那个较低的能量状态,在非常特定且相当长的时间尺度上发射一个非常特定波长的光子。一旦这个光子红移了足够大的量,它就不能再被吸收并经历与此处所示反应相反的反应。

鉴于有很多方法可以产生光子,也许可能寻找摧毁它们的方法。毕竟,仅仅靠宇宙红移的影响将它们降低到渐近低的能量值和密度将需要任意长的时间。每当宇宙伸展变大2倍时,光子形式的总能量密度就会下降16倍,即2^4倍。其中倍数因子8的出现是因为光子的数量,尽管有各种方法可以创造它们,仍然相对固定,物体之间的距离增加一倍会使可观测宇宙的体积增加8倍:长度加倍、宽度加倍、以及深度加倍。

第二个也是最后一个因素,是来自宇宙膨胀,它将波长拉伸到其原始波长的两倍,从而将每个光子的能量减半。在足够长的时间尺度上,这将导致以光子形式存在的宇宙能量密度逐渐下降趋向于零,但永远不会完全为零。

图示:虽然物质(正常的和暗的)和辐射由于体积增加而随着宇宙膨胀而变得不那么密集,但暗能量以及暴胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中创造出新的空间,暗能量密度保持不变。值得注意的是,单个辐射量子不会被破坏,而只是稀释和红移到逐渐降低的能量。

你可能会想象某种奇异的、超低质量的粒子与光子耦合,光子可以在适当的条件下转化为这种粒子。某种玻色子或赝标量粒子,比如轴子或轴子、中微子凝聚体或某种奇异的库珀对,可能恰好导致这种情况的发生,但同样,这只有在光子能量足够高的情况下才有效地通过E = mc^2 转换为具有非零静止质量的粒子。一旦光子的能量红移到临界阈值以下,就不再起作用。

同样,你可能会想象吸收光子的最终方法:让它们遇到黑洞。一旦有任何东西从视界外跨越到里面,它不仅永远无法逃脱,而且总是会增加黑洞本身的剩余质量能量。是的,随着时间的推移,宇宙中会出现许多黑洞,随着时间的推移,它们的质量和大小都会增长。

但即使这样也只会在一定程度上发生。一旦宇宙的密度下降到某个阈值以下,黑洞将通过霍金辐射开始衰变,其速度将超过它们的增长速度,这意味着产生的光子数量甚至比最初进入黑洞的光子数量还要多。在接下来的大约10^100年左右,宇宙中的每个黑洞最终都会完全衰变,绝大多数衰变产物是光子。

图示:尽管没有光可以从黑洞的视界内部逸出,但它外部的弯曲空间会导致事件视界附近不同点的真空状态存在差异,从而导致通过量子过程发射辐射。这就是霍金辐射的来源,对于质量最小的黑洞,霍金辐射将导致它们在不到一秒的时间内完全衰变。即使是最大质量的黑洞,由于这个精确的过程,也无法生存超过10^103年左右。

那么它们会“死去”吗?这不是根据当前所理解的物理定律。事实上,情况比你可能意识到的还要可怕。你可以想出曾经或将要成为的每一个光子:

即使你等待所有这些光子由于宇宙膨胀而达到任意低能量,宇宙仍然不会没有光子。

因为宇宙中仍然有暗能量。就像一个具有事件视界的物体,如黑洞,由于接近和远离事件视界的加速度不同,将不断发射光子。爱因斯坦的等效原理告诉我们,观察者无法区分引力加速度或任何其他原因引起的加速度,并且由于暗能量的存在,任何两个未绑定的位置似乎会相对于彼此加速。结果的物理原理是相同的:发出连续量的热辐射。根据我们今天推断的宇宙学常数的值,这意味着温度约为 10^–30 K 的黑体辐射光谱,将始终渗透到所有空间,无论是在多遥远的未来。

图示:正如黑洞在事件视界外始终以霍金辐射的形式产生低能量热辐射一样,具有暗能量(以宇宙学常数的形式)的加速宇宙,将始终以完全类似的形式产生辐射:由于宇宙视界的安鲁辐射(Unruh radiation)。

即使在最后,无论是多远的未来,宇宙将始终继续产生辐射,确保永远不会达到绝对零,它将始终包含光子,光子应该没有其他东西可以衰变或过渡。尽管随着宇宙的膨胀,宇宙的能量密度将继续下降,并且任何单个光子所固有的能量将随着时间的推移和未来继续下降,但永远不会有任何东西可以过渡到比光子“更基本”的了。

当然,可以制作一些奇特的场景来改变。也许光子确实有一个非零的静止质量,这可能会导致它们在足够的时间过去后减速到比光速还慢。也许光子本质上是不稳定的,还有其他一些真正没有质量的东西,比如引力子的组合,它们可以衰变成。也许在遥远的未来会发生某种相变,光子将揭示其真正的不稳定性,并将衰变为未知的量子态。

但如果我们只有标准模型中所认知的光子,那么光子是真正恒定的。一个充满暗能量的宇宙确保,即使今天存在的光子红移到任意低能量,新的光子总是会被创造出来,从而导致一个始终具有有限的正光子数和光子能量密度的宇宙。我们只能在可测量它们的范围内确定规则,除非还有一大块丢失的图景我们还没有认知到,否则我们可以指望这样的事实:光子可能会消失、但它们永远不会真正“死亡”。

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