宇宙中最经久不衰的观点之一是，现在存在的一切终有一天会走到尽头。恒星、星系，甚至占据宇宙空间的黑洞，终有一天都会燃烧殆尽、消亡，或者以其他方式衰变，留下我们所认为的 「热寂」状态：在这种状态下，再也无法以任何方式从均匀、最大熵的平衡状态中提取能量。但也许，这条一般规则也有例外，有些东西会真正永远存在。
光子就是一个真正稳定的实体候选者：光量子。宇宙中存在的所有电磁辐射都是由光子组成的，而据我们所知，光子的寿命是无限的。这是否意味着光真的会永远存在？这个问题并不容易回答。我们可以想象它们永恒存在的情况，但我们也可以想象它们衰变、转化为其他粒子甚至转变为某种全新或意想不到的东西的情况。这是一个巨大而引人注目的问题，它将我们带到了我们对宇宙所知的极限。这是当今科学给出的最佳答案。
正如维斯托 ·斯利弗 (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特定原子、离子或分子的吸收或发射光谱特征，但会系统性地向光谱的红端或蓝端偏移。当结合这些物体的距离测量时，这些数据产生了宇宙膨胀的初步想法：星系距离我们越远，其光线在我们眼睛和仪器中出现的红移就越大 。
光子寿命有限的问题第一次被提出来是有充分理由的：我们刚刚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实是星系，或当时所称的 「岛宇宙」，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星系群距离我们至少有数百万光年，远远超出了银河系的范围。此外，很快就发现这些遥远的物体不仅距离我们很远，而且似乎正在远离我们，因为它们距离我们越远，平均而言，它们发出的光就越有系统地向更红的波长偏移。
当然，在 20 世纪 20 年代和 30 年代这些数据广泛可用时，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。我们还掌握了狭义相对论和广义相对论，这告诉我们，一旦光离开光源，改变其频率的唯一方法是：
1. 让它与某种形式的物质和 /或能量相互作用，
2. 让观察者朝观察者移动或者远离观察者，
3. 或者使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。
特别是第一个潜在的解释，导致了一种令人着迷的替代宇宙学的形成： 疲惫的光宇宙学 。
只要有足够的时间，遥远物体发出的光就会到达我们的眼睛，即使在不断膨胀的宇宙中也是如此。然而，如果一个遥远星系的退行速度达到并保持在光速以上，我们就永远无法到达它，即使我们可以接收到来自它遥远过去的光。
疲劳光假说由弗里茨 ·兹维基（Fritz Zwicky）于 1929 年首次提出——没错，就是他创造了超新星一词，首次提出了暗物质假说，并曾试图通过望远镜发射步枪来「平息」湍流大气——疲劳光假说提出了这样的观点：传播中的光会通过与星系间空间中存在的其他粒子碰撞而损失能量。逻辑是，传播的空间越大，这些相互作用中损失的能量就越多，这可以解释为什么光在越远的物体上似乎红移更严重，而不是特殊速度或宇宙膨胀。
然而，为了确保这种情况正确，有两个预测必须成立。
1.) 当光穿过介质（即使是稀疏介质）时，它的速度也会从真空中的光速减慢到该介质中的光速。这种减慢对不同频率的光的影响程度不同。就像穿过棱镜的光会分裂成不同的颜色一样，穿过与其相互作用的星际介质的光也会使不同波长的光减慢不同的量。当该光重新进入真正的真空时，它将恢复以真空中的光速移动。
在太空真空中，所有光，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恒星的光时，我们观察到的光已经完成了从光源到观察者的旅程。
然而，当我们观察来自不同距离光源的光时，我们发现光表现出的红移量与波长无关。相反，在所有距离，所有波长的发射光都观察到红移，其红移量与所有其他波长完全相同；红移与波长无关。由于这一无效观察，疲劳光宇宙学的第一个预测被证伪了。
但还有第二个预测需要应对。
2.) 如果较远的光通过更长的「有损介质」时比较近的光损失更多的能量，那么较远的物体看起来应该比较近距离的物体越来越模糊。
再次，当我们去检验这个预测时，我们发现它根本没有得到观测的证实。当与较近距离的星系一起观察时，较远的星系看起来与较近距离的星系一样清晰和高分辨率。例如，对于斯蒂芬五重奏中的所有五个星系以及五重奏所有五个成员后面可见的背景星系都是如此。这个预测也被证伪了。
2022 年 7 月 12 日，詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了斯蒂芬五重奏的主要星系。左侧星系的距离仅约为其他星系的 15%，背景星系的距离则要远几十倍。然而，在詹姆斯·韦伯太空望远镜的眼中，它们都同样清晰，这表明宇宙几乎到处都充满了恒星和星系。
虽然这些观察足以推翻疲劳光假说 ——事实上，这些观察足以在提出后立即推翻它——但这只是光不稳定的一种可能方式。光可能会消亡，也可能转化为其他粒子，有一系列有趣的方法来思考这些可能性。
第一个原因很简单，因为我们有宇宙红移。产生的每一个光子，无论它是如何产生的，无论是热产生的、量子跃迁产生的还是其他相互作用产生的，都会在宇宙中流动，直到它与另一个能量量子碰撞并相互作用。但是如果你是一个从量子跃迁中发射出来的光子，除非你能以相当快的方式参与逆量子反应，否则你将开始穿越星际空间，你的波长也会因为宇宙的膨胀而延长。如果你不够幸运，没有被具有正确允许跃迁频率的量子束缚态吸收，你就会不断地红移，直到你低于最长的波长，而这个波长将永远不允许你再次被这种跃迁吸收。
这幅合成图由来自汞蒸气灯的三组不同谱线组成，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。许多原子在没有外加外场的情况下表现出这种精细结构甚至超精细结构，而这些转变对于构建功能性原子钟至关重要。许多转变（例如此处显示的转变）是离散的，而不是连续的过程。
然而，所有光子都存在第二种可能性：它们可以与原本自由的量子粒子相互作用，产生任意数量的效应之一。
这可能包括散射，带电粒子（通常是电子）吸收光子，然后重新发射。这涉及能量和动量的交换，可以提高带电粒子或光子的能量，但代价是另一个粒子的能量较低。
在足够高的能量下，光子与另一个粒子的碰撞 ——如果能量足够高，甚至可以与另一个光子碰撞——可以自发产生粒子-反粒子对，前提是有足够的能量使它们都通过爱因斯坦的 E = mc² 。事实上，最高能量的宇宙射线可以做到这一点，即使是宇宙微波背景中能量极低的光子：大爆炸的剩余辉光。对于能量高于 ~10¹⁷ 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，比如能量约为 ~10²⁰ eV，CMB 光子有很大的机会转化为中性介子，从而很快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。
探测到最高能量宇宙射线的合作者绘制的能谱。实验结果非常一致，在 GZK 阈值 ~5 x 10¹⁹ eV 处出现显著下降。尽管如此，许多这样的宇宙射线还是超过了这个能量阈值，这表明这些宇宙射线的最简化图像存在缺陷 。
换句话说，即使是能量非常低的光子也可以通过与另一个能量足够高的粒子碰撞转换成其他粒子 ——非光子。
除了宇宙膨胀或通过转化为非零静止质量的粒子，还有第三种改变光子的方法：通过粒子散射产生额外的光子。在几乎每一个电磁相互作用中，或者带电粒子和至少一个光子的相互作用中，都会出现量子场论中所谓的 「辐射校正」。对于每一个标准的相互作用，如果开始时和结束时的光子数量相同，那么最终辐射出比开始时多一个光子的可能性就略小于 1%——具体来说，更像是 1/137——最终辐射出比开始时多一个光子。
每当有一个具有正静止质量和正温度的高能粒子时，这些粒子也会辐射光子：以光子的形式损失能量。
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。正如那句老话所说 「有上必有下」，通过吸收光子而激发到更高能量的量子系统最终也会去激发，产生至少与最初吸收的光子数量相同、净能量通常相同的光子。
当氢原子形成时，电子和质子的自旋有相等的概率是对齐和反向对齐的。如果它们是反向对齐的，则不会发生进一步的跃迁，但如果它们是对齐的，它们可以量子隧穿到较低的能量状态，在非常特定且相当长的时间尺度上发射出波长非常特定（ 21 厘米）的光子。这种跃迁的精度已测量到优于万亿分之一，并且在已知的几十年中一直没有变化。这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，但此后也是如此：每当新恒星形成时，紫外线发射都会使氢原子电离，当这些原子自发重新形成时，再次产生这种特征 。
既然有这么多方法可以产生光子，那么你可能也对毁灭它们的方法垂涎三尺。毕竟，仅仅等待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。每当宇宙膨胀到原来的 2 倍时，以光子形式存在的总能量密度就会下降 16 倍：即 2⁴ 倍。8 倍的原因是，尽管有各种方法可以产生光子，但光子的数量仍然相对固定，而物体之间的距离加倍会使可观测宇宙的体积增加 8 倍：长度加倍、宽度加倍、深度加倍。
第四个也是最后一个因素来自宇宙膨胀，它将波长拉长到原来的两倍，从而使每个光子的能量减半。在足够长的时间尺度上，这将导致宇宙中以光子形式存在的能量密度逐渐下降到零，但永远不会完全达到零。
虽然随着宇宙体积的增大，物质和辐射的密度会随着宇宙膨胀而减小，但暗能量却是空间本身固有的一种能量形式。随着宇宙不断膨胀，新的空间不断产生，暗能量的密度却保持不变 。
你可能会想办法，想象某种奇异的、质量极低的粒子与光子耦合，在适当的条件下，光子可以转换成这种粒子。某种玻色子或赝标量粒子 ——如轴子或轴子、中微子凝聚体或某种奇异的库珀对——可能导致这种情况的发生，但同样，这只有当光子的能量足够高，可以通过 E = mc² 转换成具有非零静止质量的粒子时才会发生。一旦光子的能量红移到临界阈值以下，这种方法就不再有效了。
类似地，你可以想象吸收光子的终极方式：让它们遇到黑洞。一旦任何东西从事件视界外部跨越到视界内部，它不仅永远无法逃脱，而且还会一直增加黑洞本身的静止质量能量。是的，随着时间的推移，宇宙中将会出现许多黑洞，随着时间的推移，它们的质量和大小都会增长。
但即便如此，这种情况也只会发生到一定程度。一旦宇宙密度降至某个阈值以下，黑洞就会开始通过霍金辐射衰变，速度比其增长速度更快，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。在接下来的约 10¹⁰⁰ 年左右，宇宙中的每个黑洞最终都会完全衰变，绝大多数衰变产物都是光子。
在遥远的未来，黑洞周围将不再有物质，取而代之的是它们发射的能量将以霍金辐射为主，这将导致事件视界的大小缩小。大约 10¹¹⁰ 年过去后，即使是质量最大的黑洞也会完全衰变。一旦最后一次引力波合并也发生，任何来源都不会再释放能量，标志着宇宙的热寂。
那么它们会灭绝吗？根据目前理解的物理定律，不会。事实上，情况比你可能意识到的还要可怕。你可以想想曾经或将来存在的每一个光子：
· 在大爆炸中诞生，
· 由量子跃迁产生，
· 通过辐射校正创建，
· 通过能量的释放而产生，
· 或者通过黑洞衰变产生，
即使等待所有这些光子由于宇宙膨胀而达到任意低的能量，宇宙仍然不会没有光子。
为什么？
因为宇宙中仍然有暗能量。就像具有事件视界的物体（例如黑洞）会由于靠近事件视界和远离事件视界的加速度差异而不断发射光子一样，具有宇宙视界（或 更技术性地说，林德勒视界 ）的物体也会如此。爱因斯坦的等效原理告诉我们，观察者无法区分重力加速度或由于任何其他原因引起的加速度，并且由于暗能量的存在，任何两个不受约束的位置似乎都会相对于彼此加速。产生的物理结果是相同的：连续的热辐射被发射。根据我们今天推断的宇宙常数的值，这意味着无论我们走多远的未来，温度为 ~10^-30 K 的黑体辐射谱将始终渗透到整个空间。
从黑洞外部看，所有坠落的物质都会发光，并且始终可见，而事件视界后面的物质则无法逃出。但是，如果你是掉进黑洞的人，你的能量可能会作为新生宇宙中热大爆炸的一部分重新出现。
即使在宇宙的尽头，无论我们走到多远的未来，宇宙都会继续产生辐射，确保它永远不会达到绝对零度，它将始终包含光子，并且即使在它所能达到的最低能量下，光子也不会衰变或转变为其他东西。虽然随着宇宙的膨胀，宇宙的能量密度将继续下降，并且随着时间的推移，任何单个光子固有的能量也将持续下降，但它们永远不会转变为任何 「更基本」的东西。
当然，我们可以设想一些奇特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长的时间后速度减慢到低于光速。也许光子确实天生不稳定，并且存在其他真正无质量的东西，例如引力子的组合，它们可以衰变成这种东西。也许在遥远的未来会发生某种相变，光子将显露出其真正的不稳定性并衰变成尚未知的量子态。
但如果我们拥有的只是标准模型中理解的光子，那么光子就是真正稳定的。充满暗能量的宇宙确保，即使当今存在的光子红移到任意低能量，新的光子也总会产生，从而导致宇宙始终具有有限且正的光子数和光子能量密度。我们只能在测量的范围内确定规则，但除非我们还没有发现一个重大的谜题缺失，否则我们可以指望光子可能会消失，但它们永远不会真正消亡。
