宇宙中最經久不衰的觀點之一是，現在存在的一切終有一天會走到盡頭。恒星、星系，甚至占據宇宙空間的黑洞，終有一天都會燃燒殆盡、消亡，或者以其他方式衰變，留下我們所認為的 「熱寂」狀態：在這種狀態下，再也無法以任何方式從均勻、最大熵的平衡狀態中提取能量。但也許，這條一般規則也有例外，有些東西會真正永遠存在。
光子就是一個真正穩定的實體候選者：光量子。宇宙中存在的所有電磁輻射都是由光子組成的，而據我們所知，光子的壽命是無限的。這是否意味著光真的會永遠存在？這個問題並不容易回答。我們可以想象它們永恒存在的情況，但我們也可以想象它們衰變、轉化為其他粒子甚至轉變為某種全新或意想不到的東西的情況。這是一個巨大而引人註目的問題，它將我們帶到了我們對宇宙所知的極限。這是當今科學給出的最佳答案。
正如維斯托 ·斯利弗 (Vesto Slipher) 在 20 世紀 10 年代首次指出的那樣，我們觀察到的一些物體顯示出特定原子、離子或分子的吸收或發射光譜特征，但會系統性地向光譜的紅端或藍端偏移。當結合這些物體的距離測量時，這些數據產生了宇宙膨脹的初步想法：星系距離我們越遠，其光線在我們眼睛和儀器中出現的紅移就越大 。
光子壽命有限的問題第一次被提出來是有充分理由的：我們剛剛發現了宇宙膨脹的關鍵證據。天空中的螺旋星雲和橢圓星雲被證實是星系，或當時所稱的 「島宇宙」，遠遠超出了銀河系的規模和範圍。這些由數百萬、數十億甚至數萬億顆恒星組成的星系群距離我們至少有數百萬光年，遠遠超出了銀河系的範圍。此外，很快就發現這些遙遠的物體不僅距離我們很遠，而且似乎正在遠離我們，因為它們距離我們越遠，平均而言，它們發出的光就越有系統地向更紅的波長偏移。
當然，在 20 世紀 20 年代和 30 年代這些數據廣泛可用時，我們已經了解了光的量子性質，這告訴我們光的波長決定了它的能量。我們還掌握了狹義相對論和廣義相對論，這告訴我們，一旦光離開光源，改變其頻率的唯一方法是：
1. 讓它與某種形式的物質和 /或能量相互作用，
2. 讓觀察者朝觀察者移動或者遠離觀察者，
3. 或者使空間本身的曲率特性發生變化，例如由於重力紅移 /藍移或宇宙的膨脹/收縮。
特別是第一個潛在的解釋，導致了一種令人著迷的替代宇宙學的形成： 疲憊的光宇宙學 。
只要有足夠的時間，遙遠物體發出的光就會到達我們的眼睛，即使在不斷膨脹的宇宙中也是如此。然而，如果一個遙遠星系的退行速度達到並保持在光速以上，我們就永遠無法到達它，即使我們可以接收到來自它遙遠過去的光。
疲勞光假說由弗裏茨 ·茲維基（Fritz Zwicky）於 1929 年首次提出——沒錯，就是他創造了超新星一詞，首次提出了暗物質假說，並曾試圖透過望遠鏡發射步槍來「平息」亂流大氣——疲勞光假說提出了這樣的觀點：傳播中的光會透過與星系間空間中存在的其他粒子碰撞而損失能量。邏輯是，傳播的空間越大，這些相互作用中損失的能量就越多，這可以解釋為什麽光在越遠的物體上似乎紅移更嚴重，而不是特殊速度或宇宙膨脹。
然而，為了確保這種情況正確，有兩個預測必須成立。
1.) 當光穿過介質（即使是稀疏介質）時，它的速度也會從真空中的光速減慢到該介質中的光速。這種減慢對不同頻率的光的影響程度不同。就像穿過棱鏡的光會分裂成不同的顏色一樣，穿過與其相互作用的星際介質的光也會使不同波長的光減慢不同的量。當該光重新進入真正的真空時，它將恢復以真空中的光速移動。
在太空真空中，所有光，無論波長或能量如何，都以相同的速度傳播：真空中的光速。當我們觀察來自遙遠恒星的光時，我們觀察到的光已經完成了從光源到觀察者的旅程。
然而，當我們觀察來自不同距離光源的光時，我們發現光表現出的紅移量與波長無關。相反，在所有距離，所有波長的發射光都觀察到紅移，其紅移量與所有其他波長完全相同；紅移與波長無關。由於這一無效觀察，疲勞光宇宙學的第一個預測被證偽了。
但還有第二個預測需要應對。
2.) 如果較遠的光透過更長的「失真介質」時比較近的光損失更多的能量，那麽較遠的物體看起來應該比較近距離的物體越來越模糊。
再次，當我們去檢驗這個預測時，我們發現它根本沒有得到觀測的證實。當與較近距離的星系一起觀察時，較遠的星系看起來與較近距離的星系一樣清晰和高分辨率。例如，對於史帝芬五重奏中的所有五個星系以及五重奏所有五個成員後面可見的背景星系都是如此。這個預測也被證偽了。
2022 年 7 月 12 日，占士·韋伯太空望遠鏡揭示了史帝芬五重奏的主要星系。左側星系的距離僅約為其他星系的 15%，背景星系的距離則要遠幾十倍。然而，在占士·韋伯太空望遠鏡的眼中，它們都同樣清晰，這表明宇宙幾乎到處都充滿了恒星和星系。
雖然這些觀察足以推翻疲勞光假說 ——事實上，這些觀察足以在提出後立即推翻它——但這只是光不穩定的一種可能方式。光可能會消亡，也可能轉化為其他粒子，有一系列有趣的方法來思考這些可能性。
第一個原因很簡單，因為我們有宇宙紅移。產生的每一個光子，無論它是如何產生的，無論是熱產生的、量子躍遷產生的還是其他相互作用產生的，都會在宇宙中流動，直到它與另一個能量量子碰撞並相互作用。但是如果你是一個從量子躍遷中發射出來的光子，除非你能以相當快的方式參與逆量子反應，否則你將開始穿越星際空間，你的波長也會因為宇宙的膨脹而延長。如果你不夠幸運，沒有被具有正確允許躍遷頻率的量子束縛態吸收，你就會不斷地紅移，直到你低於最長的波長，而這個波長將永遠不允許你再次被這種躍遷吸收。
這幅合成圖由來自汞蒸氣燈的三組不同譜線組成，顯示了磁場可能產生的影響。在 (A) 中，沒有磁場。在 (B) 和 (C) 中，有磁場，但它們的方向不同，這解釋了譜線的差異分裂。許多原子在沒有外加外場的情況下表現出這種精細結構甚至超精細結構，而這些轉變對於構建功能性原子鐘至關重要。許多轉變（例如此處顯示的轉變）是離散的，而不是連續的過程。
然而，所有光子都存在第二種可能性：它們可以與原本自由的量子粒子相互作用，產生任意數量的效應之一。
這可能包括散射，帶電粒子（通常是電子）吸收光子，然後重新發射。這涉及能量和動量的交換，可以提高帶電粒子或光子的能量，但代價是另一個粒子的能量較低。
在足夠高的能量下，光子與另一個粒子的碰撞 ——如果能量足夠高，甚至可以與另一個光子碰撞——可以自發產生粒子-反粒子對，前提是有足夠的能量使它們都透過愛因斯坦的 E = mc² 。事實上，最高能量的宇宙射線可以做到這一點，即使是宇宙微波背景中能量極低的光子：大爆炸的剩余輝光。對於能量高於 ~10¹⁷ eV 的宇宙射線，單個典型的 CMB 光子有機會產生電子-正電子對。在更高的能量下，比如能量約為 ~10²⁰ eV，CMB 光子有很大的機會轉化為中性介子，從而很快奪走宇宙射線的能量。這是 最高能量宇宙射線數量急劇下降的 主要原因：它們高於這個臨界能量閾值。
探測到最高能量宇宙射線的合作者繪制的能譜。實驗結果非常一致，在 GZK 閾值 ~5 x 10¹⁹ eV 處出現顯著下降。盡管如此，許多這樣的宇宙射線還是超過了這個能量閾值，這表明這些宇宙射線的最簡化影像存在缺陷 。
換句話說，即使是能量非常低的光子也可以透過與另一個能量足夠高的粒子碰撞轉換成其他粒子 ——非光子。
除了宇宙膨脹或透過轉化為非零靜止質素的粒子，還有第三種改變光子的方法：透過粒子散射產生額外的光子。在幾乎每一個電磁相互作用中，或者帶電粒子和至少一個光子的相互作用中，都會出現量子場論中所謂的 「輻射校正」。對於每一個標準的相互作用，如果開始時和結束時的光子數量相同，那麽最終輻射出比開始時多一個光子的可能性就略小於 1%——具體來說，更像是 1/137——最終輻射出比開始時多一個光子。
每當有一個具有正靜止質素和正溫度的高能粒子時，這些粒子也會輻射光子：以光子的形式損失能量。
光子非常非常容易產生，雖然可以透過誘導適當的量子躍遷來吸收它們，但大多數激發會在給定的時間後去激發。正如那句老話所說 「有上必有下」，透過吸收光子而激發到更高能量的量子系統最終也會去激發，產生至少與最初吸收的光子數量相同、凈能量通常相同的光子。
當氫原子形成時，電子和質子的自旋有相等的概率是對齊和反向對齊的。如果它們是反向對齊的，則不會發生進一步的躍遷，但如果它們是對齊的，它們可以量子穿隧到較低的能量狀態，在非常特定且相當長的時間尺度上發射出波長非常特定（ 21 厘米）的光子。這種躍遷的精度已測量到優於萬億分之一，並且在已知的幾十年中一直沒有變化。這是中性原子形成後宇宙中發出的第一束光：甚至在第一顆恒星形成之前，但此後也是如此：每當新恒星形成時，紫外線發射都會使氫原子電離，當這些原子自發重新形成時，再次產生這種特征 。
既然有這麽多方法可以產生光子，那麽你可能也對淪陷它們的方法垂涎三尺。畢竟，僅僅等待宇宙紅移的影響將它們降低到漸近低的能量值和密度將需要任意長的時間。每當宇宙膨脹到原來的 2 倍時，以光子形式存在的總能量密度就會下降 16 倍：即 2⁴ 倍。8 倍的原因是，盡管有各種方法可以產生光子，但光子的數量仍然相對固定，而物體之間的距離加倍會使可觀測宇宙的體積增加 8 倍：長度加倍、寬度加倍、深度加倍。
第四個也是最後一個因素來自宇宙膨脹，它將波長拉長到原來的兩倍，從而使每個光子的能量減半。在足夠長的時間尺度上，這將導致宇宙中以光子形式存在的能量密度逐漸下降到零，但永遠不會完全達到零。
雖然隨著宇宙體積的增大，物質和輻射的密度會隨著宇宙膨脹而減小，但暗能量卻是空間本身固有的一種能量形式。隨著宇宙不斷膨脹，新的空間不斷產生，暗能量的密度卻保持不變 。
你可能會想辦法，想象某種奇異的、質素極低的粒子與光子耦合，在適當的條件下，光子可以轉換成這種粒子。某種玻色子或贗純量粒子 ——如軸子或軸子、微中子凝聚體或某種奇異的庫珀對——可能導致這種情況的發生，但同樣，這只有當光子的能量足夠高，可以透過 E = mc² 轉換成具有非零靜止質素的粒子時才會發生。一旦光子的能量紅移到臨界閾值以下，這種方法就不再有效了。
類似地，你可以想象吸收光子的終極方式：讓它們遇到黑洞。一旦任何東西從事件視界外部跨越到視界內部，它不僅永遠無法逃脫，而且還會一直增加黑洞本身的靜止質素能量。是的，隨著時間的推移，宇宙中將會出現許多黑洞，隨著時間的推移，它們的質素和大小都會增長。
但即便如此，這種情況也只會發生到一定程度。一旦宇宙密度降至某個閾值以下，黑洞就會開始透過霍金輻射衰變，速度比其增長速度更快，這意味著產生的 光子數量甚至 比最初進入黑洞的光子數量還要多。在接下來的約 10¹⁰⁰ 年左右，宇宙中的每個黑洞最終都會完全衰變，絕大多數衰變產物都是光子。
在遙遠的未來，黑洞周圍將不再有物質，取而代之的是它們發射的能量將以霍金輻射為主，這將導致事件視界的大小縮小。大約 10¹¹⁰ 年過去後，即使是質素最大的黑洞也會完全衰變。一旦最後一次重力波合並也發生，任何來源都不會再釋放能量，標誌著宇宙的熱寂。
那麽它們會滅絕嗎？根據目前理解的物理定律，不會。事實上，情況比你可能意識到的還要可怕。你可以想想曾經或將來存在的每一個光子：
· 在大爆炸中誕生，
· 由量子躍遷產生，
· 透過輻射校正建立，
· 透過能量的釋放而產生，
· 或者透過黑洞衰變產生，
即使等待所有這些光子由於宇宙膨脹而達到任意低的能量，宇宙仍然不會沒有光子。
為什麽？
因為宇宙中仍然有暗能量。就像具有事件視界的物體（例如黑洞）會由於靠近事件視界和遠離事件視界的加速度差異而不斷發射光子一樣，具有宇宙視界（或 更技術性地說，林德勒視界 ）的物體也會如此。愛因斯坦的等效原理告訴我們，觀察者無法區分重力加速度或由於任何其他原因引起的加速度，並且由於暗能量的存在，任何兩個不受約束的位置似乎都會相對於彼此加速。產生的物理結果是相同的：連續的熱輻射被發射。根據我們今天推斷的宇宙常數的值，這意味著無論我們走多遠的未來，溫度為 ~10^-30 K 的黑體輻射譜將始終滲透到整個空間。
從黑洞外部看，所有墜落的物質都會發光，並且始終可見，而事件視界後面的物質則無法逃出。但是，如果你是掉進黑洞的人，你的能量可能會作為新生宇宙中熱大爆炸的一部份重新出現。
即使在宇宙的盡頭，無論我們走到多遠的未來，宇宙都會繼續產生輻射，確保它永遠不會達到絕對零度，它將始終包含光子，並且即使在它所能達到的最低能量下，光子也不會衰變或轉變為其他東西。雖然隨著宇宙的膨脹，宇宙的能量密度將繼續下降，並且隨著時間的推移，任何單個光子固有的能量也將持續下降，但它們永遠不會轉變為任何 「更基本」的東西。
當然，我們可以設想一些奇特的場景來改變這個故事。也許光子確實具有非零的靜止質素，導致它們在經過足夠長的時間後速度減慢到低於光速。也許光子確實天生不穩定，並且存在其他真正無質素的東西，例如重力子的組合，它們可以衰變成這種東西。也許在遙遠的未來會發生某種相變，光子將顯露出其真正的不穩定性並衰變成尚未知的量子態。
但如果我們擁有的只是標準模型中理解的光子，那麽光子就是真正穩定的。充滿暗能量的宇宙確保，即使當今存在的光子紅移到任意低能量，新的光子也總會產生，從而導致宇宙始終具有有限且正的光子數和光子能量密度。我們只能在測量的範圍內確定規則，但除非我們還沒有發現一個重大的謎題缺失，否則我們可以指望光子可能會消失，但它們永遠不會真正消亡。
