玻色子

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薩特延德拉·玻色

在量子力學裏,粒子可以分為玻色子英语boson)與費米子兩種。[1]保羅·狄拉克為了紀念印度物理學者薩特延德拉·玻色的貢獻,因此給出玻色子的命名。[2]玻色與阿爾伯特·愛因斯坦合作發展出的玻色-愛因斯坦統計可以描述玻色子的性質。[3]在所有基本粒子中,標準模型的幾個傳遞作用力的規範子光子膠子W玻色子Z玻色子都是玻色子,賦予基本粒子質量的希格斯子是玻色子,尚未被探測到、只存在於量子引力理論的傳遞引力的引力子也是玻色子。在複合粒子裏,介子是玻色子,質量數為偶數的穩定原子核,像重氫2H(原子核由一颗质子和一颗中子组成,質量數為2)、氦-4鉛-208等也是玻色子,[註 1]準粒子庫柏對等离体子聲子等都是玻色子。[4]:130

多個玻色子可以同時占有同樣量子態。這是一個很重要的性質。當氦-4因冷卻變為超流體時,會顯示出這種性質。[4]:130[5]與之相比,兩個費米子不能同時占有同樣的量子態。組成物質的基本粒子是費米子,例如,輕子夸克。玻色子傳遞作用力使得費米子能夠連結在一起。由於玻色子的作用,物質能夠黏結在一起。[6]

定義與性質[编辑]

無限深方形阱裏,兩個全同玻色子的對稱波函數繪圖。[註 2]

玻色子定義為遵守玻色-愛因斯坦統計的粒子;根據玻色-愛因斯坦統計,對於N個全同玻色子,假設將其中任意兩個玻色子交換,則由於描述這量子系統的波函數具有對稱性,波函數不會改變。 費米子遵守費米狄拉克統計;根據費米狄拉克統計,對於N個全同費米子,假設將其中任意兩個費米子交換,則由於描述這量子系統的波函數具有反對稱性,波函數的正負號會改變。[7]:28-29由於這特性,費米子遵守包利不相容原理:兩個全同費米子不能占有同樣的量子態。因此,物質具有有限體積與硬度。費米子被稱為物質的組成成分。[8]:450-452

所有已知基本或複合粒子,依照自旋而定,自旋為整數的粒子是玻色子,自旋為半整數的粒子是費米子。在非相對論性量子力學裏,這純為經驗觀察;但在相對論性量子場論裏,自旋統計定理表明,半整數的粒子不能成為玻色子,整數的粒子不能成為費米子。[7]:28-29

激光激微波超流體玻色-愛因斯坦凝聚的基礎物理機制為玻色子所遵守的玻色-愛因斯坦統計。另外一個結果是處於熱力學平衡的光子氣體,其光譜是普朗克譜,例如,黑體輻射、現今稱為微波背景輻射的不透明早期宇宙的熱輻射。虛玻色子與真實粒子之間的交互作用造成了所有已知的作用力,除了引力已外。

在大型系統裏,只當在粒子密度很大時,也就是說,當它們的波函數重疊時,玻色子統計與費米子統計才會顯示出來;在密度很小時,兩種統計都可以用經典力學的麦克斯韦-玻尔兹曼统计作良好近似。[8]:451

基本玻色子[编辑]

所有觀測到的基本粒子,不是費米子,就是玻色子。所有觀測到的基本玻色子都是規範玻色子:光子、W玻色子、Z玻色子、膠子、希格斯玻色子。

複合玻色子[编辑]

複合粒子是由幾個粒子組成,例如,強子、原子核、原子等等。依照組成粒子的自旋,複合粒子可以是玻色子或費米子。更精確地說,由於自旋與統計之間的關係,由偶數個費米子組成的粒子是玻色子,因為它的自旋為整數。[8]:451

玻色子可以擠入哪種量子態?[编辑]

玻色-愛因斯坦統計鼓勵全同玻色子擠入同一個量子態,但並不是任意量子態都必需很方便地被擠入。除了統計機制以外,玻色子可以彼此相互作用,例如,幾個非常鄰近的氦-4原子會彼此感受到分子間力,假設它們的凝聚處於某種空間定域的量子態,由於從統計獲得的助益 不能克服太過高昂的位勢,它們喜好處於一種空間離域的量子態(較低的|ψ(x)|):假若凝聚的數目密度與普通液體或固體大致相同,則拿量子統計所描述的凝聚與普通統計所描述的液體或晶體晶格作比較,凝聚的相斥位勢不能高於後者的相斥位勢。所以,玻色-愛因斯坦統計不能夠繞過對於物質的密度所施加的物理限制。因此,超流體液氦的密度與普通液體物質相當。根據不確定性原理,空間離域的量子態具有較低的動量,因此動能也較低,這就是為甚麼通常在低溫才能觀察到超流體性質與超導性質。

光子彼此之間不會相互作用,因此不會經歷到這種擠入量子態的不同?更多內容,請參閱壓縮相干態(squeezed coherent state)。

參閱[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 在所有穩定核之中,大約152/255 ~ 60%的質量數為偶數,這些原子核的自旋都是整數,都是玻色子。在這些穩定玻色子之中,幾乎全部(148個)都具有偶數質子數、偶數中子數,由於成對,自旋為零。剩下的四個穩定玻色子都具有奇數質子數、奇數中子數,這些奇-奇玻色子為2
    1
    H
    6
    3
    Li
    10
    5
    B
    ,、14
    7
    N
    。另外,180m
    73
    Ta
    是亞穩定玻色子,但是尚未被觀察到任何衰變。這些奇-奇玻色子的自旋都是非零整數。
  2. ^ 對稱性波函數為 -[\sin(x)sin(3y)+sin(3x)sin(y)]/\sqrt{2},\qquad 0\le x,y \le \pi 。注意到在 x=y 附近,機率輻絕對值較大,兩個玻色子趨向於彼此互相接近對方。

參考文獻[编辑]

  1. ^ Carroll, Sean (2007) Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 p. 43, The Teaching Company, ISBN 1598033506 "...boson: A force-carrying particle, as opposed to a matter particle (fermion). Bosons can be piled on top of each other without limit. Examples include photons, gluons, gravitons, weak bosons, and the Higgs boson. The spin of a boson is always an integer, such as 0, 1, 2, and so on..."
  2. ^ Notes on Dirac's lecture Developments in Atomic Theory at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. See note 64 to p. 331 in "The Strangest Man" by Graham Farmelo
  3. ^ Higgs boson: The poetry of subatomic particles. BBC News. 4 July 2012 [6 July 2012]. 
  4. ^ 4.0 4.1 Charles P. Poole, Jr. Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics. Academic Press. 11 March 2004. ISBN 978-0-08-054523-3. 
  5. ^ boson. Merriam-Webster Online Dictionary. [21 March 2010]. 
  6. ^ Carroll, Sean. Explain it in 60 seconds: Bosons. Symmetry Magazine. Fermilab/SLAC. [15 February 2013]. 
  7. ^ 7.0 7.1 Mark Srednicki. Quantum Field Theory. Cambridge University Press. 25 January 2007. ISBN 978-1-139-46276-1. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Sakukrai, J. J.; Napolitano, Jim, Modern Quantum Mechanics. 2nd, Addison-Wesley. 2010, ISBN 978-0805382914