玻色子

在量子力学里，粒子可以分为玻色子（英语：boson）与费米子。[1]玻色子由保罗·狄拉克命名，是为了纪念印度物理学者萨特延德拉·玻色的贡献。[2]他与阿尔伯特·爱因斯坦合作发展出的玻色-爱因斯坦统计可以描述玻色子的性质。[3]在所有基本粒子中，标准模型的几个传递作用力的规范子，光子、胶子、W玻色子、Z玻色子都是玻色子，赋予基本粒子质量的希格斯子是玻色子，已被证实。在量子引力理论里传递引力的引力子也是玻色子，尚未被证实存在。在复合粒子里，介子是玻色子，质量数为偶数的稳定原子核，像重氢2H（原子核由一颗质子和一颗中子组成，质量数为2）、氦-4、铅-208等也是玻色子，[注 1]准粒子像库柏对、等离体子、声子等都是玻色子。[4]:130

萨特延德拉·玻色

多个玻色子可以同时占有同样量子态。这是一个很重要的性质。当氦-4因冷却变为超流体时，会显示出这种性质。[4]:130[5]与之相比，两个费米子不能同时占有同样的量子态。组成物质的基本粒子是费米子，例如，轻子、夸克。玻色子传递作用力使得费米子能够连结在一起。由于玻色子的作用，物质能够黏结在一起。[6]

定义与性质

 
在无限深方形阱里，两个全同玻色子的对称波函数绘图。[注 2]

玻色子定义为遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子；根据玻色-爱因斯坦统计，对于N个全同玻色子，假设将其中任意两个玻色子交换，则由于描述这量子系统的波函数具有对称性，波函数不会改变。 费米子遵守费米狄拉克统计；根据费米狄拉克统计，对于N个全同费米子，假设将其中任意两个费米子交换，则由于描述这量子系统的波函数具有反对称性，波函数的正负号会改变。[7]:28-29由于这特性，费米子遵守包利不相容原理：两个全同费米子不能占有同样的量子态。因此，物质具有有限体积与硬度。费米子被称为物质的组成成分。[8]:450-452

所有已知基本或复合粒子，依照自旋而定，自旋为整数的粒子是玻色子，自旋为半整数的粒子是费米子。在非相对论性量子力学里，这纯为经验观察；但在相对论性量子场论里，自旋统计定理表明，半整数的粒子不能成为玻色子，整数的粒子不能成为费米子。[7]:28-29

激光、激微波、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚的基础物理机制为玻色子所遵守的玻色-爱因斯坦统计。另外一个结果是处于热力学平衡的光子气体，其光谱是普朗克谱，例如，黑体辐射、现今称为微波背景辐射的不透明早期宇宙的热辐射。虚玻色子与真实粒子之间的相互作用造成了所有已知的作用力，除了引力之外。

在大型系统里，只当在粒子密度很大时，也就是说，当它们的波函数重叠时，玻色子统计与费米子统计才会显示出来；在密度很小时，两种统计都可以用经典力学的麦克斯韦-玻尔兹曼统计作良好近似。[8]:451

基本玻色子

所有观测到的基本粒子，不是费米子，就是玻色子。所有观测到的基本玻色子都是规范玻色子：光子、W玻色子、Z玻色子、胶子、希格斯玻色子。

  • 胶子 - 强相互作用的媒介粒子，自旋为1，共8种。
  • 光子 - 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，共1种。
  • W及Z玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，共3种。
  • 希格斯玻色子 - 通过希格斯机制将质量给予其它粒子，自旋为0，目前只发现1种。
  • 引力子 - 引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有1种，目前未曾观测到。

复合玻色子

复合粒子是由几个粒子组成，例如，强子、原子核、原子等等。依照组成粒子的自旋，复合粒子可以是玻色子或费米子。更精确地说，由于自旋与统计之间的关系，由偶数个费米子组成的粒子是玻色子，因为它的自旋为整数。[8]:451

  • 介子是玻色子，它是由一个夸克与一个对应的反夸克组成的强子。
  • 由偶数个核子组成的原子核是玻色子。质子和中子都是费米子，含偶数个核子的原子核具有整数自旋，例如，碳-12有六个质子、六个中子。
  • 氦-4有两个质子、两个中子、两个电子，是复合玻色子。

玻色子的量子态

玻色-爱因斯坦统计鼓励全同玻色子挤入同一个量子态，但并不是任意量子态都必需很方便地被挤入。除了统计机制以外，玻色子可以彼此相互作用，例如，几个非常邻近的氦-4原子会彼此感受到分子间力，假设它们的凝聚处于某种空间定域的量子态，由于从统计获得的助益　不能克服太过高昂的位势，它们喜好处于一种空间离域的量子态（较低的|ψ(x)|）：假若凝聚的数目密度与普通液体或固体大致相同，则拿量子统计所描述的凝聚与普通统计所描述的液体或晶体晶格作比较，凝聚的相斥位势不能高于后者的相斥位势。所以，玻色-爱因斯坦统计不能够绕过对于物质的密度所施加的物理限制。因此，超流体液氦的密度与普通液体物质相当。根据不确定性原理，空间离域的量子态具有较低的动量，因此动能也较低，这就是为什么通常在低温才能观察到超流体性质与超导性质。

光子彼此之间不会相互作用，因此不会经历到这种挤入量子态的不同。

参阅

  • 任意子
  • 玻色气体
  • 全同粒子
  • W-玻色子
  • 仲统计法（parastatistics）

注释

  1. ^ 在所有稳定核之中，大约152/255 ~ 60%的质量数为偶数，这些原子核的自旋都是整数，都是玻色子。在这些稳定玻色子之中，几乎全部（148个）都具有偶数质子数、偶数中子数，由于成对，自旋为零。剩下的四个稳定玻色子都具有奇数质子数、奇数中子数，这些奇-奇玻色子为2
    1    H
    、 6
    3    Li
    、10
    5    B
    ,、14
    7    N
    。另外，180m
    73    Ta
    是亚稳定玻色子，但是尚未被观察到任何衰变。这些奇-奇玻色子的自旋都是非零整数。
  2. ^ 对称性波函数为   。注意到在   附近，概率辐绝对值较大，两个玻色子趋向于彼此互相接近对方。

参考文献

  1. ^ Carroll, Sean (2007) Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 p. 43, The Teaching Company,  
  2. ^ 4.0 4.1 Charles P. Poole, Jr. Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics. Academic Press. 11 March 2004 [2014-07-17]. ISBN 978-0-08-054523-3. （原始内容存档于2016-12-21）. 
  3. ^ boson. Merriam-Webster Online Dictionary. [21 March 2010]. （原始内容存档于2013-06-25）. 
  4. ^ Carroll, Sean. Explain it in 60 seconds: Bosons. Symmetry Magazine. Fermilab/SLAC. [15 February 2013]. （原始内容存档于2014-07-12）. 
  5. ^ 7.0 7.1 Mark Srednicki. Quantum Field Theory. Cambridge University Press. 25 January 2007 [2014-07-17]. ISBN 978-1-139-46276-1. （原始内容存档于2011-07-25）. 
  6. ^ 8.0 8.1 8.2 Sakukrai, J. J.; Napolitano, Jim, Modern Quantum Mechanics 2nd, Addison-Wesley, 2010, ISBN 978-0805382914