近期，中国科学院近代物理研究所科研人员在光子玻色-爱因斯坦凝聚研究领域取得进展。团队通过修正的动力学方程发现，高能光子与冷电子气体相互作用会促进光子向低能端聚集，理论上可形成玻色-爱因斯坦凝聚。该研究对理解早期宇宙中辐射与物质相互作用、宇宙微波背景频谱畸变等问题具有重要理论意义。相关成果于2月26日发表于《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）。

光子作为自然界中基本的玻色子之一，能否像超冷原子一样实现玻色-爱因斯坦凝聚，一直是物理学与天体物理学中备受关注的前沿科学问题。1924年，爱因斯坦预言了玻色气体的凝聚现象；然而，光子因“粒子数不守恒”与“无静止质量”的特性，曾被认为难以进入凝聚态。1969年，苏联物理学家在研究宇宙中光子与冷电子散射时，首次提出“光子凝聚”的天体物理构想；直至2010年，实验才首次在光学谐振腔中于室温条件下实现了光子凝聚。

中国科学院近代物理研究所科研人员通过理论研究发现，高能光子与冷电子气体的相互作用可提升光子向低能端的聚集效应，从而在理论上实现光子的玻色-爱因斯坦凝聚。

研究团队重新推导了Kompaneets方程，该方程引入了适用于高能区间的修正项，同时采用了汤姆逊散射截面的半解析近似形式，从而突破了经典Kompaneets方程仅适用于低能光子的限制，可拓展至高能光子能量与电子热能相当的区域。

团队通过数值模拟从初始黑体谱出发的光子分布演化过程，发现在严格光子数守恒条件下，光子分布会逐渐向低能端聚集，最终在零能态附近形成粒子数密度增强——这正是玻色-爱因斯坦凝聚的典型特征。熵演化分析进一步表明，该凝聚态对应系统熵最大的热力学平衡态。

然而，研究也指出，在实际宇宙等离子体环境中，双康普顿散射和韧致辐射等光子数不守恒过程会吸收低频光子，其时间尺度短于凝聚形成所需的时间，从而在观测上抑制了稳定凝聚态的出现。因此，尽管光子玻色-爱因斯坦凝聚在理论框架中具备可行性，在真实宇宙环境下可能难以长期维持。

该研究不仅从运动学与热力学角度揭示了光子凝聚的形成机制，还明确了散射积累与吸收耗散两类过程在天体物理环境中的竞争关系。该研究所建立的理论框架与数值方法也为今后在宇宙学模拟、高能天体物理及实验室等离子体研究中探索玻色-爱因斯坦凝聚行为提供了新的视角。

      图：基于参数^A=0.01和^α=0.95的修正Kompaneets方程，对光子分布随时间演化的数值模拟结果。红线表示已形成玻色-爱因斯坦凝聚状态的光子；未凝聚部分光子趋向于符合由温度^Te表征的普朗克分布。

本研究由中国科学院近代物理研究所陈旭荣研究员团队完成，郭冰昂为第一作者。研究获得国家重点研发计划项目的资助。 

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae42cc