在整个宇宙中,有两种不同类型的基本粒子:费米子和玻色子。所有的粒子,除了具有质量和电荷外,还具有自旋的性质。粒子的自旋为半整数(比如±1/2、±3/2、±5/2…)的称为费米子;自旋为整数(比如0、±1、±2,…)的称为玻色子。那么问题是:费米子和玻色子之间的区别是什么?难道仅仅只是自旋为整数和半整数之间的区别?乍一看下,通过这些性质为粒子分类好像是完全随机的。
自旋的不同看起来好像微不足道,毕竟有一些更加显而易见的区别,例如:夸克和轻子都属于费米子,前者会体验到强核力,而后者不会,这个区别要比费米子和玻色子间的区别更重大?物质和反物质之间的区别也比粒子的自旋更有意义?跟自旋相比,粒子具有质量和没有质量也重要的多?但其实,自旋的不同有两个非常重要的意义是很多人没有意识到的。首先,只有费米子具有反粒子伙伴。
夸克的反粒子是反夸克,电子的反粒子是正电子,中微子的反粒子是反中微子。而另一方面,并没有所谓的反玻色子存在,许多玻色子的反粒子就是它们自身。从费米子中,可以制造出各种复合粒子,比如两个上夸克和一个下夸克会组成一个质子(也是一个费米子)。由于自旋的运作方式,如果将奇数个的费米子结合在一起,得到的复合粒子会表现的像费米子,这也是为什么可以有质子和反质子。
但是由偶数个费米子组成的粒子,比如一个夸克和一个反夸克(称为介子)组合,会表现的像玻色子。举个例子,中性π介子(π⁰)的反粒子就是其自身。那就是泡利不相容原理只适用于费米子,玻色子则不服从该原理。根据不相容原理,在任何量子系统中,两个费米子无法占据同一个量子态。但是玻色子就没有该限制。试想一下,取一个原子核,并开始加入电子进去,第一个电子会倾向于占据基态(即最低能量的状态)。
由于它是一个自旋=1/2的粒子,电子的自旋态可以是+1/2或-1/2。如果添加第二个电子,它仍然会占据基态但具有相反的自旋态。但如果加入更多的电子会发生什么?它们不会进入基态(上图:1s),而是填满下一个能级。这就是为何元素周期表是这么排列的原因。正是因为泡利不相容原理,才导致了元素具有不同的物理和化学性质,能够组成各种不同的分子结构,才使复杂的化学和生命成为可能。
而另一个方面,玻色子却可以同时共享同一个量子态。这允许产生一种特别的物质状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚。将玻色子冷却到非常低的温度,它们就会全部聚集到能量最低的量子态。当氦(由偶数个费米子组成,因此表现的像一个玻色子)被冷却到足够低温下就会形成超流体,这是玻色-爱因斯坦凝聚的一个结果。自那之后,科学家制造了气体、分子、准粒子和光子的玻色-爱因斯坦凝聚。今天,这一领域的研究仍然非常活跃。
事实上,正是因为电子是费米子,白矮星才不会在自身的引力下坍缩;也正是因为中子是费米子,才阻止了中子星继续坍缩形成黑洞。当物质和反物质湮灭或衰变,它们会在不同程度上加热系统,这取决于粒子服从费米-狄拉克统计(费米子所服从的统计规律)或玻色-爱因斯坦统计(玻色子所服从的统计规律)。这也是为什么今天微波背景辐射的温度为2.73开尔文,而宇宙中微子背景辐射的温度要比它低0.8开尔文。
费米子和玻色子,看似只有自旋上的整数和半整数的差别,但带来的结果却是服从了不同的量子规则,而这非常重要。了解费米子和玻色子的区别以及重要性后,现在终于可以回答标题的问题,答案从下图中寻找:蓝色代表基本费米子(fermion),绿色代表基本玻色子(boson),红色代表复合粒子。