自旋
自旋—統計聯繫
自旋—統計聯繫是一條深刻的規則,它把粒子的自旋與它跟同類孿生粒子如何共享量子態綁在一起。自旋為半整數的粒子(如電子)是費米子:它們當中任何兩個都不能佔據同一個量子態。自旋為整數的粒子(如光子)是玻色子:任意數目的它們都能同時擠進同一個態。這單單一條聯繫,就把自然界中的每一種粒子分入兩大陣營之一。
其後果之大,難以言喻。正因為電子是費米子、拒絕共享狀態,它們才層層疊進一個又一個原子殼層,而不是全都擁進最低能級,而這種層疊正是賦予原子以大小、賦予元素週期表以圖樣的根由。正因為光子是玻色子、樂於共享,雷射發出的光才能有無數光子處於一模一樣的狀態,齊步並進。
了不起的是,這條規則並不是用手硬塞進去的額外假設。自旋—統計定理表明,它出自量子力學與狹義相對論、再加上諸如因果性這類幾條合理要求的結合。它至今仍是物理學中最深刻、也最不符合直覺的結果之一:何以一個像自旋這般抽象的屬性,竟會左右物質結構這般具體的事物,實在是一樁真正的奇蹟。
half-integer spin → fermion (Pauli exclusion); integer spin → boson (can share)
單憑自旋,便決定同種粒子是拒絕共享一個態,還是能擠進同一個態。
這一聯繫是相對論量子場論中的一條定理,而非普通非相對論量子力學的定理——在後者中它須作為一條單獨的公設加進去。它的完整論證需要狹義相對論。
又稱
另見