它是唯一可能存在永生的物质！那真的能永生吗？

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大家好，我是科学羊🐑。这里是物理学第11季第14篇，这篇我们聊聊宇宙学！

在广袤的宇宙中，唯一恒久不变的就是变化本身。

人的生命最终会走向死亡，恒星会燃烧殆尽，星系也会逐渐消散，甚至占据我们视野的黑洞也难逃最终的命运。

然而，宇宙学家预言，在遥远的未来，我们的宇宙将进入“热死亡”状态，届时所有的能量都将趋于均匀分布，无法再被利用。

在这一切逐渐消失的背景下，有一种存在可能永远不会消亡，那就是光子——光的基本单位。

光子是组成宇宙中所有电磁辐射的基本粒子。

根据我们当前对物理学的理解，光子似乎具有无限的寿命。这个事实引发了一个耐人寻味的问题：光子是否真的会永生？

要回答这个问题并不容易，因为尽管我们可以想象光子可能永存，但我们也不能排除它们会以某种方式衰变、转变为其他粒子，甚至变成我们完全意想不到的东西的可能性。

回顾历史，科学家们最早是在20世纪初提出宇宙膨胀的概念。

1910年代，天文学家维斯托·斯利弗首次观察到某些天体的光谱特征发生了红移或蓝移，这意味着它们在远离或接近我们。

这一发现后来成为宇宙膨胀理论的基础，即距离我们越远的星系，它们的光红移越大。通过对这些现象的研究，科学家们逐渐揭示了宇宙的膨胀性质。

但随之而来的是对光子寿命的疑问。光子是否会在长时间的宇宙旅程中衰变？它们是否会因与宇宙间的其他粒子碰撞而逐渐失去能量？

这些疑问催生了疲劳光宇宙学的假说，即光子在穿越遥远的星际空间时会逐渐失去能量，导致其红移。

这一假说曾经吸引了许多科学家的注意，特别是在20世纪20年代和30年代，当时的科学家们已经开始了解光的量子特性，并掌握了相对论的基本概念。

然而，疲劳光宇宙学假说面临两个重大的挑战。

首先，根据这一假说，光在穿越介质时，不同波长的光应该以不同的速度减慢，就像棱镜分解光的颜色一样。

但观测表明，红移量与波长无关，无论距离多远，所有光的红移量都是一致的。这个发现直接否定了疲劳光假说的第一个预测。

第二个挑战涉及遥远天体的清晰度。如果疲劳光假说成立，距离越远的天体应该看起来越模糊。

然而，天文学家观测到，遥远星系的清晰度与近处星系并无显著差异。例如，著名的斯蒂芬五重奏星系群中，距离更远的星系依然清晰可见，这进一步否定了疲劳光假说。

随着这些观察结果的累积，科学家们逐渐得出结论：光子并不会因为与其他粒子的相互作用而衰变。那么，光子真的不朽吗？

虽然光子在宇宙中穿行的过程中可能会与其他粒子相互作用，例如通过散射或产生粒子-反粒子对，但这些过程并不会导致光子的消失。即使在极端条件下，例如在极高能量的宇宙射线中，光子也只会通过与其他粒子的碰撞产生新的粒子，而不会自发地消失。

用费曼图表示的正电子-负电子湮灭。

更有趣的是，尽管宇宙在不断膨胀，光子的波长随之拉长，能量逐渐降低，但光子依然存在。即使在宇宙膨胀的过程中，光子的数量并不会减少，能量密度虽然下降，但光子本身不会消失。这意味着，光子虽然会逐渐变得“疲惫”，能量也会变得极低，但它们依然会继续存在于宇宙中。

那么，是否存在一种机制可以真正摧毁光子呢？

一种可能的情况是光子被黑洞吸收。一旦光子跨越黑洞的视界，它就再也无法逃脱。

然而，即使如此，黑洞本身也并非永恒存在。在极为漫长的时间尺度上，黑洞会通过霍金辐射逐渐蒸发，最终完全消失。

在这个过程中，黑洞释放出的光子数量可能比它吸收的光子更多。

更为复杂的是宇宙暗能量的存在。暗能量导致宇宙的加速膨胀，这一现象不仅影响星系和星系团的运动，还会在极长的时间尺度上影响光子的行为。

由于暗能量的作用，即使在宇宙的远未来，光子仍然会被不断地产生，确保宇宙中总是存在光子。

随着宇宙体积的增大，物质和辐射的密度变得越来越小，而暗能量是空间本身固有的一种能量形式。随着新的空间在膨胀的宇宙中被创造出来，暗能量密度保持不变。(图片来源: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

总结来说，虽然光子在宇宙中的命运仍存在许多未解之谜，但根据目前的物理学理解，光子似乎确实具备了某种“永生”的特质。

无论是通过宇宙膨胀逐渐减少能量，还是被黑洞吸收再释放，光子总能找到方式继续存在于宇宙中。即使我们在遥远的未来也无法确定光子的最终命运，但我们可以有理由相信，在我们已知的宇宙中，光子或许是最接近永恒的存在。

光子的命运是宇宙中最引人入胜的谜题之一。

虽然我们还无法完全揭开它的面纱，但随着科学的不断进步，也许有一天，我们能够揭示光子真正的不朽之谜。

到那时，我们对宇宙的理解将达到新的高度，而光子作为宇宙的基本构成元素之一，也将继续照亮我们对宇宙奥秘的探索之路。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/08/24

祝幸福~ 

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