[科普中國]-兩種基本粒子——玻色子和費(fèi)米子

我們知道物質(zhì)是由原子組成的，原子是由原子核與電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。但是大家知道玻色子和費(fèi)米子嗎？它們是什么？對我們來說又有什么意義呢？

在了解玻色子和費(fèi)米子之前，大家要先了解一下量子這個概念。

量子是一個物理學(xué)概念，不是實(shí)物，它是指一個事物的最小單位。

科學(xué)家們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，微觀世界的本質(zhì)特征就是量子化，而在量子的世界中，費(fèi)米子和玻色子則是最基礎(chǔ)的存在。

隨著科學(xué)家們對量子研究的逐漸深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中，很多微小的粒子并不是固定不動的，粒子具備“自旋”特性，有人把它理解成類似“地球自轉(zhuǎn)”。

我們可以把粒子想象成一個小磁鐵，當(dāng)我們把磁鐵放在磁場里會產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，就像指南針一樣。而粒子的自旋就是如此，并且自旋的方向傾向于和磁場的方向平行。

自旋有大有小，但其數(shù)值是量子化的，也就是說，它只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍。因此，科學(xué)家將不同自旋的粒子分成了兩種，自旋的數(shù)值是整數(shù)的，叫“玻色子”；自旋的數(shù)值是半整數(shù)的，叫“費(fèi)米子”。而我們常見的光子就是玻色子，電子則是費(fèi)米子。

為什么要把這些粒子分成“玻色子”和“費(fèi)米子”呢？因?yàn)閮烧咴谛再|(zhì)上有很大差別，主要體現(xiàn)在泡利不相容原理上。泡利不相容原理就是指兩個費(fèi)米子不能占據(jù)同一個狀態(tài)，也就是說玻色子喜歡待在一起，有親和力，而費(fèi)米子無法待在一起，互為排斥。

比如，電子就是費(fèi)米子，它們之間相互排斥，所以不同的電子在原子核外的時候不能都擠在同一個軌道上。而光子是玻色子，所以我們可以通過“擠壓”形成特別狹窄的激光。

總的來說，費(fèi)米子和玻色子，就是我們這個世界存在的微觀基礎(chǔ)。

量子的應(yīng)用很多，比如量子通信，它是一種理論上“無法被竊聽”的通信方式；還比如量子計(jì)算機(jī)，2020年我國學(xué)者研制出了76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。相比電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力將是指數(shù)級增長。

現(xiàn)在大家了解玻色子和費(fèi)米子了嗎？

本文由山東省威海市鳳林學(xué)校二級教師劉歡進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。

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