自旋
自旋—统计联系
自旋—统计联系是一条深刻的规则,它把粒子的自旋与它跟同类孪生粒子如何共享量子态绑在一起。自旋为半整数的粒子(如电子)是费米子:它们当中任何两个都不能占据同一个量子态。自旋为整数的粒子(如光子)是玻色子:任意数目的它们都能同时挤进同一个态。这单单一条联系,就把自然界中的每一种粒子分入两大阵营之一。
其后果之大,难以言喻。正因为电子是费米子、拒绝共享状态,它们才层层叠进一个又一个原子壳层,而不是全都拥进最低能级,而这种层叠正是赋予原子以大小、赋予元素周期表以图样的根由。正因为光子是玻色子、乐于共享,激光发出的光才能有无数光子处于一模一样的状态,齐步并进。
了不起的是,这条规则并不是用手硬塞进去的额外假设。自旋—统计定理表明,它出自量子力学与狭义相对论、再加上诸如因果性这类几条合理要求的结合。它至今仍是物理学中最深刻、也最不符合直觉的结果之一:何以一个像自旋这般抽象的属性,竟会左右物质结构这般具体的事物,实在是一桩真正的奇迹。
half-integer spin → fermion (Pauli exclusion); integer spin → boson (can share)
单凭自旋,便决定同种粒子是拒绝共享一个态,还是能挤进同一个态。
这一联系是相对论量子场论中的一条定理,而非普通非相对论量子力学的定理——在后者中它须作为一条单独的公设加进去。它的完整论证需要狭义相对论。
又称
另见