量子基础
费米子与玻色子(fermions vs bosons)
/ fermion = FUR-mee-on; boson = BOH-zon /
宇宙中每一个粒子都属于两大家族之一,它属于哪一族取决于它的自旋。这种划分像物质与光的区别一样根本。一边是费米子,构成物质的粒子——电子、夸克、中微子。另一边是玻色子,传递力、充满空间的粒子——光子、胶子、希格斯。它们行为如此不同,几乎像在遵循相反的社交规则。
费米子是独行者。任何两个全同费米子都绝不能在同一时刻占据完全相同的量子态——这就是泡利不相容原理。把电子堆起来,每个都必须占据不同的态,于是它们层层排进壳层,这正是原子何以有结构、固体物质何以占据空间并抗拒被挤压的原因。玻色子恰恰相反:它们喜欢群聚,乐意无限多地挤进同一个态。正是这种群聚性使激光成为可能(无数光子整齐划一地同步行进),也使力场能积累成我们感受得到的强大、经典的场。
分界线在于自旋。费米子有半整数自旋(二分之一、二分之三等等);玻色子有整数自旋(零、一、二)。这并非巧合,而是一条深刻的定理——自旋-统计联系。费米子与玻色子的区分构筑了整个标准模型:物质粒子是费米子,力载体是玻色子,而孤零零的希格斯是自旋为零的玻色子。一个值得知道的微妙之处:复合客体可以改换家族。由偶数个费米子构成的氦-4 原子整体表现为玻色子,这正是液氦能变成无摩擦超流体的原因。
激光束(玻色子挤进同一个态,全部同步)和元素周期表(费米子被迫进入各自不同的态,搭起电子壳层)正是这两个家族在日常技术与化学中展现的相反本性。
玻色子挤进同一个态,费米子拒绝——同一个性质(自旋)给出两条相反规则。
复合粒子可以改换家族:偶数个费米子组成的束缚态整体表现为玻色子,所以这两个标签针对的是整个客体,而非仅仅它的组成部分。
又称
另见