互动科普

光子是电磁波的“量子”，它既是真实的“物质”粒子，也是传递电磁相互作用的“力”粒子。根据电磁规范对称性这一基本原理，光子是一种没有静止质量、没有形状和体积的“点”粒子，而实验恰恰证实它的确如此与众不同。因此狭义相对论告诉我们，自由光子无法静止，不得不永远以光速在宇宙空间运动。给定一个空间，光子可以瞬间通过，却无法在里面驻足而息。就此而言，作为物质的光子无法占据某个空间。

但是宇宙微波背景辐射存在于整个空间，它起源于宇宙大爆炸后约38万年的光子退耦过程，如今的温度（即动能）接近-270℃。这些“冷”光子在宇宙空间均匀分布，利用宇宙学原理可以算出它们的平均数密度：每立方厘米的空间内差不多含有410个“冷”光子。从这个意义上讲，光子是可以占据空间的。某个空间内的光子数目越多、携带能量越高，该空间的能量密度就越大。

来自遥远天体的高能光子是宇宙的信使，但它们在穿越宇宙空间的过程中会遭遇宇宙微波背景（相当于“冷”光子的海洋）的阻挡。两者相互作用的结果是，一对光子转化成正反电子对，能量虽然守恒，但却“扼杀”了作为信使的高能光子，使得地球上的科学家无法获悉遥远天体的真实信息。

有趣的是，人体内部的微量放射性物质（如钾40）会发生核裂变（衰变），平均每天放射出几千万个光子！幸好它们不声不响地疾速溜走，不占据我们身体的有限空间。这种来自人体自身的光子，早已被科学家利用精密仪器捕捉到了。

（本文发表于《科学世界》2015年第5期）