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永恒的光
根据现有物理定律，光子似乎可以永远存在。即使宇宙不断膨胀导致光子能量降低，暗能量的存在也会确保新光子不断产生。
通过向半透明/半反射的薄介质发射光脉冲，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。虽然隧穿本身可能是瞬间的，但行进的粒子仍然受到光速的限制。
宇宙中的一切事物最终都会走向消亡吗？恒星、星系，甚至那些占据空间的巨大黑洞，总有一天都会燃尽、消逝、衰变，留下我们所设想的“热寂”状态：一个熵值达到最大、毫无能量可供提取的均匀平衡态。然而，或许存在着一些例外，能够真正永恒存在。
光子，作为构成光的量子，就是这样一个永存的候选者。宇宙中所有电磁辐射都由光子组成，据我们所知，光子拥有无限的寿命。这是否意味着光将真正永存？安娜·玛丽亚·伽兰特 (Anna-Maria Galante) 就提出了这样的疑问：“光子能永远存在吗？还是会‘死亡’转化成其他粒子？我们看到的来自遥远过去宇宙事件的光，似乎知道来源，但最终会去往何方？光子的生命周期是什么样的？”
这是一个宏大而引人入胜的问题，它将我们带到了对宇宙认识的极限。以下就是目前科学界给出的最佳答案。
正如Vesto Slipher在20世纪10年代首次指出的那样，我们观察到的一些物体显示出吸收或发射特定原子，离子或分子的光谱特征，但系统地向光谱的红色或蓝色端移动。当与这些物体的距离测量相结合时，这些数据产生了膨胀宇宙的最初想法：星系越远，它的光在我们的眼睛和仪器上看起来就越红移。
质疑光子寿命有限的观点最早出现时，是有充分理由的：当时，我们刚刚发现了支持宇宙膨胀的关键证据。天空中螺旋状和椭圆状的星云被证明是星系，或者当时所称的“岛屿宇宙”，其尺度和范围远远超出了银河系的规模。这些由数百万、数十亿甚至数千亿颗恒星组成的集合体至少位于数百万光年之外，远远超出银河系的范围。更重要的是，很快人们就发现这些遥远的物体不仅距离我们很远，而且似乎还在远离我们，因为距离我们越远的物体，其发出的光平均而言就越会系统性地向更长的红端波长偏移。
当然，到了 20 世纪二三十年代，当这些数据变得普遍可用时，我们已经了解了光的量子性质，这告诉我们光的波长决定了它的能量。我们也掌握了狭义相对论和广义相对论，它们告诉我们，一旦光离开它的源头，改变其频率的唯一方法只有：
* 与某种形式的物质和/或能量相互作用
* 观察者相对于光源移动(无论是靠近还是远离)
* 空间本身的曲率性质发生改变，例如引力红移/蓝移或宇宙的膨胀/收缩
特别地，第一个潜在解释导致了迷人的“疲劳光”宇宙学 (tired light cosmology) 的提出。
光可能以特定的波长发射，但宇宙的膨胀会在它行进时拉伸它。当考虑一个星系的光来自130亿年前时，紫外线发射的光将一路转移到红外线。宇宙的膨胀加速得越快，来自遥远物体的光的红移就越大，看起来就越暗。
“疲劳光”假说最早由弗里茨·兹威基 (Fritz Zwicky) 在 1929 年提出(没错，就是创造了超新星一词、首次提出暗物质假说，并曾经试图通过步枪瞄准镜射击来‘稳定’大气湍流的那位科学家)。该假说提出，传播中的光会因与星系间空间存在其他粒子的碰撞而失去能量。按照这个逻辑，传播的距离越长，能量损失就越多，这将解释遥远物体的光谱为什么比邻近物体更加明显地红移，而不是特殊的运动速度或宇宙膨胀。
然而，为了使这种说法成立，需要满足两个预测：
1. 当光穿过介质(即使是稀疏的介质)时，它会从真空光速变慢到该介质中的光速。这种速度变慢会对不同频率的光产生不同的影响。就像光通过棱镜会分离成不同的颜色一样，光通过与之相互作用的星际介质时，也会使不同波长光的传播速度发生不同的变化。当光重新进入真正的真空时，它将恢复真空光速。
在真空中，所有的光，无论波长或能量如何，都以相同的速度传播：真空中的光速。当我们观察来自遥远星星的光时，我们观察的光已经完成了从光源到观察者的旅程。
然而，当我们观测来自不同距离的光源时，我们并没有发现红移量与波长之间存在任何相关性。相反，在所有距离上，所有发射光的波长都以完全相同的比例红移；红移没有波长依赖性。由于这个零观测结果，使得“衰解光”宇宙学的第一個预测被证伪。
2. 此外，如果更远的物体因穿过更长的“损耗介质”而损失更多能量，那么这些更远的物体应该比更近的物体显得更加模糊。
同样，当我们去测试这个预测时，我们发现它也没有被观测结果所证实。与较近的星系相比，更远的星系看起来同样清晰和高分辨率。例如，在史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet) 中的所有五个星系以及五重星系所有成员背后可见的背景星系都是如此。因此，这个预测也被证伪了。
斯蒂芬五重奏的主要星系，由JWST于2022年7月12日揭示。左边的星系只有其他星系的15%，而背景星系的距离是其他星系的几十倍。然而，它们对JWST的眼睛来说都是一样锐利的，这表明宇宙中充满了恒星和星系，几乎在我们所看到的任何地方。
虽然这些观测足以证伪“疲劳光”假说，而且事实上，一经提出就立即被证伪，但这只是光可能不稳定的其中一种方式。光要么会消亡，要么会转化为其他粒子，而对于这些可能性，有一些有趣的思考方式。
第一种方式简单地源于我们有一个宇宙学红移。无论如何产生的每个光子，无论是通过热力学、量子跃迁还是任何其他相互作用产生的，都会在宇宙中传播，直到它与另一个能量量子碰撞并相互作用。但是，如果你是一个由量子跃迁产生的光子，除非你能够以相当快的速度进行反向量子反应，否则你将开始穿越星际空间，你的波长会因宇宙的膨胀而拉伸。如果你没有足够幸运被具有正确允许跃迁频率的量子束缚态吸收，那么你只会红移和红移，直到你低于最长的可能波长，该波长将永远不会再允许你被这样的跃迁吸收。
汞蒸气灯的三组不同光谱线的合成显示了磁场的影响。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，解释了光谱线的微分分裂。许多原子在没有外加场的情况下表现出这种精细结构甚至超精细结构，而这些跃迁对于构建功能性原子钟至关重要。许多过渡，如这里所示，是离散的，而不是连续的过程。
然而，对于所有光子还存在第二组可能性：它们可以与其他自由的量子粒子相互作用，产生各种各样的效果。
这可能包括散射，其中带电粒子(通常是电子)吸收并重新发射光子。这涉及能量和动量的交换，并且可以以牺牲另一粒子的代价使带电粒子或光子提高到更高的能量。
在足够高的能量下，光子与另一个粒子的碰撞(甚至如果是另一个光子，如果能量足够高的话)可以自发地产生一对粒子-反粒子，如果可用能量足以通过爱因斯坦的 E = mc² 使它们都产生。事实上，所有最高能量的宇宙射线都可以做到这一点，即使是构成宇宙微波背景(宇宙大爆炸的余辉)的低能量光子也是如此。对于能量高于 ~10¹⁷ eV 的宇宙射线，单个典型的 CMB 光子就有可能产生电子-正负对。在更高的能量下，例如 ~10²⁰ eV 的能量，CMB 光子更有可能转化为中性π介子，这会很快地消耗宇宙射线的能量。这也是为什么最高能量宇宙射线数量急剧下降的主要原因：它们超过了这个临界能量阈值。
最高能量宇宙射线的能谱，通过探测它们的合作。从实验到实验，结果都是令人难以置信的高度一致的，并揭示了在GZK阈值约为5 x 10^19 eV时的显著下降。尽管如此，许多这样的宇宙射线超过了这个能量阈值，这表明这些宇宙射线的最简化图像中存在缺陷。
换句话说，即使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)。
除了宇宙膨胀或通过转化为具有非零静止质量的粒子之外，还有一种第三种方法可以改变光子：通过散射粒子而产生更多的光子。几乎在所有电磁相互作用或带电粒子与至少一个光子之间的相互作用中，都存在量子场论中所谓的“辐射修正”。对于每个标准相互作用，在开始和结束时光子的数量相同，都有不到 1% 的可能性(更确切地说，是 1/137)你会最终产生比你开始时更多的光子。
而且每当你拥有一具有正静止质量和正温度的能量粒子时，这些粒子也会以光子的形式辐射能量：以光子的形式损失能量。
光子非常容易产生，而通过诱导适当的量子跃迁可以吸收它们，但大多数激发会在一定时间后消激。就像古老的谚语“凡是上升的，必将下降”一样，通过吸收光子而被激发到更高能量的量子系统最终也会消激，产生至少与最初吸收的光子数量相同的光子，通常具有相同的净能量。
当一个氢原子形成时，它有相同的概率使电子和质子的自旋对齐和反对齐。如果它们是反对齐的，就不会发生进一步的跃迁，但是如果它们是对齐的，它们就可以量子隧穿到较低的能量状态，在非常特定的时间尺度上发射出非常特定波长(21厘米)的光子。这种转变的精度已经被测量到超过万亿分之一，并且在已知的几十年里没有变化。它是中性原子形成后宇宙中发出的第一束光：甚至在第一颗恒星形成之前，也是之后：每当新恒星形成时，紫外线辐射电离氢原子，当这些原子自发重新形成时，再次产生这种信号。
既然有这么多方法可以创建光子，你可能已经迫不及待地想知道如何摧毁它们了。毕竟，仅仅等待宇宙红移的影响将它们降低到渐近的低能量值和密度需要任意长的时间。每次宇宙膨胀使体积增加一倍，光子的形式的总能量密度就会降低 16 倍：降低 2⁴ 倍。降低 8 倍是因为光子的数量(尽管有各种创建它们的方法)仍然相对固定，而物体之间的距离增加一倍会导致可观测宇宙的体积增加 8 倍：长度加倍、宽度加倍、深度加倍。
降低 2⁴ 倍的第四个原因来自宇宙膨胀，它将波长拉伸为原来的两倍，从而使每个光子的能量减半。在足够长的时标上，这将导致宇宙中光子的能量密度渐近于零，但永远不会真正达到零。
虽然物质(正常的和暗的)和辐射随着宇宙体积的增加而变得不那么密集，但暗能量以及膨胀期间的场能量是空间本身固有的能量形式。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。
你可能会试图巧妙地设想某种奇异的超低质量粒子，它与光子耦合，光子可以在适当的条件下转化为这种粒子。某种玻色子或伪标量粒子(如轴子或轴微子、中微子凝结体或某种奇异的库珀对)可能导致正是这种情况，但同样，这只有在光子的能量足够高的情况下才能通过 E = mc² 转化为具有非零静止质量的粒子。一旦光子的能量因红移低于临界阈值，这就不再起作用。
同样，你可以想象吸收光子的最终方式：让它们遇到黑洞。一旦任何东西从事件视界外部穿越到内部，它不仅永远无法逃脱，而且还会始终增加黑洞本身的静止质量能量。是的，随着时间的推移，宇宙中会出现许多黑洞，它们的质量和大小会随着时间的推移而增长。
但即使这样，也只会发生到一定程度。一旦宇宙的密度低于某个阈值，黑洞就会通过霍金辐射比增长更快地衰变，这意味着将产生比进入黑洞的光子更多的光子。在接下来的大约 10¹⁰⁰ 年左右，宇宙中的每个黑洞最终都会完全衰变，其中绝大多数衰变产物都是光子。
在遥远的未来，黑洞周围将不再有物质，但它们发出的能量将由霍金辐射主导，这将导致事件视界的大小缩小。当黑洞的吸积速率下降到霍金辐射导致的质量损失速率以下时，黑洞就会从“增长”转变为“衰减”，这一事件估计会在未来约10^20年发生。制造黑洞的信息是如何被编码到向外辐射中的，或者是否是这样，还没有被确定。
那么，光子会永远消亡吗？根据目前已知的物理定律，似乎不会。实际上，情况比你想象的还要糟糕。你可以想象每个曾经存在或将要存在的光子：
* 在大爆炸中产生
* 由量子跃迁产生
* 由辐射修正产生
* 通过能量发射产生
* 或者通过黑洞衰变产生
即使你等待所有这些光子都因宇宙膨胀而达到任意低的能量，宇宙也不会完全没有光子。
为什么会这样
因为宇宙中还存在暗能量。就像一个具有事件视界的物体(如黑洞)会由于事件视界附近和远离事件视界的加速度差异而不断发射光子一样，具有宇宙学(或更技术上，Rindler)视界的物体也会如此。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，任何两个未结合的位置似乎都会相对于彼此加速。由此产生的物理现象是相同的：会连续发射一定量的热辐射。根据我们今天推断的宇宙常数值，这意味着温度约为 10⁻³⁰ K 的黑体辐射谱将始终贯穿所有空间，无论我们走向未来多么遥远。
从黑洞外部，所有下落的物质都会发光，并且总是可见的，而事件视界后面的任何东西都无法出去。但是如果你是那个掉进黑洞的人，你的能量可以想象地作为一个新生宇宙中的热大爆炸的一部分重新出现。
即使在它的末期，无论我们走向未来多么遥远，宇宙都将始终产生辐射，确保它永远不会达到绝对零度，它将始终包含光子，即使在它可能达到的最低能量下，也应该没有任何其他东西可以使光子衰变或转变为。虽然宇宙的能量密度会随着宇宙的膨胀而继续下降，并且随着时间的推移，任何单个光子的固有能量也会继续下降，但永远不会有比它们更“基本的”东西可以转变为。
当然，我们可以想出一些奇异的场景来改变这个故事。也许光子确实具有非零的静止质量，导致它们在经过足够的时间后会减慢到低于光速。也许光子实际上是固有的不稳定的，并且还有其他真正无质量的东西，比如组合的引力子，它们可以衰变为光子。也许在遥远的将来会发生某种相变，届时光子将揭示其真正的不稳定性并衰变为一种尚未发现的量子状态。
但如果我们所拥有的只是标准模型中我们所理解的光子，那么光子就是真正稳定的。即使今天存在的光子红移到任意低的能量，充满暗能量的宇宙也将确保始终产生新的光子，从而导致宇宙始终存在有限且正的光子数量和光子能量密度。我们只能在测量范围内确定规则的有效性，但除非还有我们尚未发现的重大拼图缺失，否则我们可以确信光子可能会消逝，但永远不会真正死亡。