1、第十四章：粒子的世界，五彩紛呈，但我并不迷惑！這是第十四章，我的行文脈絡(luò)到此,思維還是清晰的，前言寫出了為什么繼 續(xù)寫這本書。第一章就闡明了我的一個總的基調(diào)，然后從EPR之爭，貝爾不等式 開啟了本書的內(nèi)容。之后介紹了經(jīng)典物理史的發(fā)展，再介紹了量子力學(xué)的發(fā)展歷史。這兩章內(nèi)容， 大概占到了3萬多字，看似枯燥，但其實內(nèi)容龐大，對這兩章內(nèi)容熟悉，我們就 能對整個物理發(fā)展史有一個大概的了解。接著是來介紹和光有關(guān)的各種實驗，直到第十三章才進(jìn)行了光知識的總結(jié)性 認(rèn)識。但還不夠究竟，所以我們還要繼續(xù)深入量子力學(xué)的點(diǎn)滴。那么就必須走近 量子力學(xué)的眾多粒子世界，這就是為什么要寫這一章內(nèi)容。在介紹粒子世界的開始，我

2、給大家截一張圖。大家先看這張圖，就能理清 了眾多粒子的歸屬。然后再慢慢一步步深入了解。g T 7歸批至里子管子 p-p-n-n-i -A E - -曲二”W舒艮干曾好-FE干弱肝E刊W 招W -麗瞬)后國于-濟(jì)好-西-燈枝-搦-由叫-H三：她舒yr- - i .奸明道掛1于 朝I格H 翩千各訴，部好辭耨酊翻料融*於隨族好I1WI 就沖好 JH 3微1醉于 1 畸好/T I，f F - T - S年蒲于貨曲學(xué)二Y：庭服船孑祥肝： 三二飛二股；然1ST :雪：二：，E盜 T ： 二一炭三，=7 -褥，-=i7 J =7 -?.7臟 r.葉.匕*：二.-4 一t H?tfi從上圖我們可以看出，量子力

3、學(xué)的分支粒子物理是如何劃分粒子的。1、基 本粒子分為兩類，就是我們常說的費(fèi)米子和玻色子。2、下來是復(fù)合粒子，分為強(qiáng)子和其他粒子。3、假想的基本粒子，所謂假想，即是沒有被真正發(fā)現(xiàn)的粒子。還停留在理 論預(yù)言階段。4、還有假想復(fù)合粒子。5、最后是準(zhǔn)粒子。我們這一章不對具體的粒子做介紹，我們的任務(wù)是要理解和了解粒子是如何 劃分的，是根據(jù)什么來分類的？ 這樣做的目的，是為了后面，我們能夠更深入 的解釋和理解量子物理學(xué)的種種現(xiàn)象。首先來認(rèn)識一下什么叫費(fèi)米子。費(fèi)米子(fermion)：費(fèi)米子是依隨費(fèi)米-狄拉 克統(tǒng)計、角動量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子。我脫下最后的衣衫 讓世人審判單費(fèi)米子得名于意大利物理

4、學(xué)家 費(fèi)米，遵從泡利不相容原理。根據(jù)標(biāo) 準(zhǔn)理論，費(fèi)米子均是由一批基本費(fèi)米 子組成的，而基本費(fèi)米子則不可能分 解為更細(xì)小的粒子。費(fèi)米子包括所有 夸克與輕子，任何由奇數(shù)個夸克或輕 子組成的復(fù)合粒子，所有重子與很多 種原子與原子核都是費(fèi)米子。術(shù)語費(fèi) 米子是由保羅狄拉克給出，為紀(jì)念 恩里科費(fèi)米在這領(lǐng)域所作的杰出貢 獻(xiàn)。費(fèi)米子可以是基本粒子，例如電子。也可以是復(fù)合粒子，例如質(zhì)子、中子。 根據(jù)相對論性量子場論的自旋統(tǒng)計定理，自旋為整數(shù)的粒子是玻色子，自旋為 半整數(shù)的粒子是費(fèi)米子。除了這自旋性質(zhì)以外，費(fèi)米子的重子數(shù)與輕子數(shù)守恒。 因此，時常被引述的“自旋統(tǒng)計關(guān)系”實際是一種“自旋統(tǒng)計量子數(shù)關(guān)系”。在無限深方

5、形阱里，兩個全同費(fèi)米子的反對稱性波函數(shù)繪圖。根據(jù)費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計，對于N個全同費(fèi)米子，假設(shè)將其中任意兩個費(fèi)米子 交換，則由于描述這量子系統(tǒng)的波函數(shù)具有反對稱性，波函數(shù)的正負(fù)號會改變。由于這特性，費(fèi)米子遵守泡利不相容原理：兩個全同費(fèi)米子不能占有同樣的 量子態(tài)。因此，物質(zhì)具有有限體積與硬度。費(fèi)米子被稱為物質(zhì)的組成成分。質(zhì)子、 中子、電子是制成日常物質(zhì)的關(guān)鍵元素?；举M(fèi)米子：標(biāo)準(zhǔn)模型確認(rèn)兩種基本費(fèi)米子：夸克與輕子。而這 2類基本 費(fèi)米子，又分為合共24種味flavour）：12種夸克：包括上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、 底夸克（b）、頂夸克（t）,及它們對應(yīng)的6種反粒子。1

6、2種輕子：包括電子（e-）、口子（u-）、t子（t-）、電中微子（ve）、 口中微子（vu）、陶中微子（vt）,及對應(yīng)的6種反粒子。理論而言，費(fèi)米子有三種：不帶質(zhì)量的外爾費(fèi)米子、帶質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子、 粒子與反粒子相同的馬約拉納費(fèi)米子。物理學(xué)者認(rèn)為,大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模型費(fèi)米子是狄拉克費(fèi)米子,雖然物理學(xué)者們尚 不清楚中微子是狄拉克中微子還是馬約拉納中微子。狄拉克費(fèi)米子可以視為左手 的外爾費(fèi)米子與右手的外爾費(fèi)米子的組合。復(fù)合費(fèi)米子:依它們組成的成分而定,復(fù)合粒子可以是玻色子或費(fèi)米子。更 精準(zhǔn)而言,由于自旋與統(tǒng)計之間的關(guān)系,奇數(shù)數(shù)量的費(fèi)米子可以組成一個費(fèi)米子, 它的自旋為半整數(shù)。例如,像中子、質(zhì)子這些強(qiáng)子

7、,都是由三個夸克組成的費(fèi)米 子。在復(fù)合粒子內(nèi)部的玻色子數(shù)量不會改變這復(fù)合粒子是玻色子還是費(fèi)米子。復(fù) 合粒子到底是玻色子還是費(fèi)米子,這判別是在遠(yuǎn)距離（與粒子尺寸做比較）進(jìn)行。 在復(fù)合粒子鄰近,空間結(jié)構(gòu)開始顯得重要,其物理行為與組成的成分有關(guān)。當(dāng)費(fèi)米子松散地結(jié)合成對 時，可能會展示出玻色子行為。 這物理機(jī)制造成了氦-3的超導(dǎo) 性質(zhì)與超流體性質(zhì)的。在超導(dǎo) 物質(zhì)里，通過交換聲子，電子 形成庫柏對；在氦-3里，庫柏對是通過自旋漲落形成庫柏對。在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)里出現(xiàn)的準(zhǔn)粒子知名為復(fù)合 費(fèi)米子，它是負(fù)載偶數(shù)個量子渦旋的電子。接下來我們來認(rèn)識一下玻色子。玻色子是依隨玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，自旋為 整數(shù)的粒子。玻

8、色子不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發(fā)生玻色-愛因斯坦 凝聚。保羅狄拉克為了紀(jì)念印度物理學(xué)者薩特延德拉玻色的貢獻(xiàn)，因此給出玻 色子的命名。玻色與阿爾伯特愛因斯坦合作發(fā)展出的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計可以 描述玻色子的性質(zhì)。在所有基本粒子中，標(biāo)準(zhǔn)模型的幾個傳遞作用力的規(guī)范子，光子、膠子、W 玻色子、Z玻色子都是玻色子，賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯子是玻色子，2013 年3月已被證實。在量子引力理論里傳遞引力的引力子也是玻色子，尚未被證實存在。在復(fù)合 粒子里，介子是玻色子，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的穩(wěn)定原子核，像重氫2H （原子核由一 顆質(zhì)子和一顆中子組成，質(zhì)量數(shù)為2）、氦-4、鉛-208等也是玻色子，準(zhǔn)粒子像 庫柏對

9、、等離體子、聲子等都是玻色子。多個玻色子可以同時占有同樣量子態(tài)。這是一個很重要的性質(zhì)。當(dāng)氦-4 因 冷卻變?yōu)槌黧w時，會顯示出這種性質(zhì)。與之相比，兩個費(fèi)米子不能同時占有同 樣的量子態(tài)。組成物質(zhì)的基本粒子是費(fèi)米子，例如，輕子、夸克。玻色子傳遞作用力使 得費(fèi)米子能夠連結(jié)在一起。由于玻色子的作用，物質(zhì)能夠黏結(jié)在一起。這也是 他們的區(qū)別和作用的不同。玻色子定義為遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的粒子；根據(jù)玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，對 于N個全同玻色子，假設(shè)將其中任意兩個玻色子交換，則由于描述這量子系統(tǒng)的 波函數(shù)具有對稱性，波函數(shù)不會改變。費(fèi)米子遵守費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計；根據(jù)費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計，對于N個全同費(fèi)米子， 假設(shè)將其中任

10、意兩個費(fèi)米子交換，則由于描述這量子系統(tǒng)的波函數(shù)具有反對稱 性，波函數(shù)的正負(fù)號會改變。由于這特性，費(fèi)米子遵守包利不相容原理： 兩個 全同費(fèi)米子不能占有同樣的量子態(tài)。因此，物質(zhì)具有有限體積與硬度。費(fèi)米子被 稱為物質(zhì)的組成成分。這就是它們之間的區(qū)別。所有已知基本或復(fù)合粒子，依照自 旋而定，自旋為整數(shù)的粒子是玻色子， 自旋為半整數(shù)的粒子是費(fèi)米子。在非相對論性量子力學(xué)里，這純?yōu)?經(jīng)驗觀察；但在相對論性量子場論里， 自旋統(tǒng)計定理表明，半整數(shù)的粒子不能 成為玻色子，整數(shù)的粒子不能成為費(fèi)米 子。激光、激微波、超流體、玻色-愛 因斯坦凝聚的基礎(chǔ)物理機(jī)制為玻色子所遵守的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。另外一個結(jié) 果是處于熱力

11、學(xué)平衡的光子氣體，其光譜是普朗克譜，例如，黑體輻射、現(xiàn)今稱 為微波背景輻射的不透明早期宇宙的熱輻射。要知道，虛玻色子與真實粒子之間 的相互作用造成了所有已知的作用力，除了引力已外。基本玻色子有哪些：所有觀測到的基本粒子，不是費(fèi)米子，就是玻色子。所 有觀測到的基本玻色子都是規(guī)范玻色子：光子、W玻色子、Z玻色子、膠子、希格斯玻色子。膠子 - 強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種。光子 - 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種。W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋為1,有3種。希格斯玻色子 - 通過希格斯機(jī)制將質(zhì)量給予其它粒子，自旋為 0，目前只 發(fā)現(xiàn)1種。引力子 - 引力相互作用的媒介

12、粒子，自旋為2，只有1種，尚未被發(fā)現(xiàn)。復(fù)合玻色子有哪些：復(fù)合粒子是由幾個粒子組成，例如，強(qiáng)子、原子核、原子等等。依照組成粒 子的自旋，復(fù)合粒子可以是玻色子或費(fèi)米子。更精確地說，由于自旋與統(tǒng)計之間 的關(guān)系，由偶數(shù)個費(fèi)米子組成的粒子是玻色子，因為它的自旋為整數(shù)。介子是玻色子，它是由一個夸克與一個對應(yīng)的反夸克組成的強(qiáng)子。 由偶數(shù)個核子組成的原子核是玻色子。質(zhì)子和中子都是費(fèi)米子，含偶數(shù)個核子的原子核具有整數(shù)自旋，例如，碳-12 有六個質(zhì)子、六個中子。氦-4 有兩個質(zhì)子、兩個中子、兩個電子，是復(fù)合玻色 子。玻色子的量子態(tài)：玻色-愛因斯坦統(tǒng)計鼓勵全同玻色子擠入同一個量子態(tài)， 但并不是任意量子態(tài)都必需很方便

13、地被擠入。除了統(tǒng)計機(jī)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(shè)它們的凝聚處于某種空間定域的量子態(tài)，由于從統(tǒng)計獲得的助益 不能 克服太過高昂的位勢，它們喜好處于一種空間離域的量子態(tài)（較低的|力（x）|）： 假若凝聚的數(shù)目密度與普通液體或固體大致相同，則拿量子統(tǒng)計所描述的凝聚與 普通統(tǒng)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于后者的相斥 位勢。所以，玻色-愛因斯坦統(tǒng)計不能夠繞過對于物質(zhì)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(zhì)相當(dāng)。根據(jù)不確定性原理，空間離域 的量子態(tài)具有較低的動量，因此動能也較低，這就是為什么通常在低

14、溫才能觀 察到超流體性質(zhì)與超導(dǎo)性質(zhì)。我們現(xiàn)在來做一個簡單的總結(jié)，就是所有的 粒子，要么是玻色子，要么是費(fèi)米子。自旋為整 數(shù)是玻色子，服從玻色一愛因斯坦統(tǒng)計，容許兩 個粒子處于同樣的量子態(tài)；自旋不是整數(shù)的是費(fèi) 米子，遵循保羅狄拉克統(tǒng)計，服從泡利不相容原 理，不容許兩個粒子處于同樣的量子態(tài)。且費(fèi)米 子是組成物質(zhì)的粒子，玻色子是提供力維持費(fèi)米 子組成物質(zhì)。即量子場論表明，粒子之間的基本 相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本 相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子 統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子。這就是為什么說基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、

15、中微子）；而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色 子?！安Ｉ边@個詞，其實代表一個人。他的全名是薩特延德拉納特玻色!我們應(yīng)該記住這個天才的物理學(xué)家。薩特延德拉納特玻色（1894年1月1日一1974年2月4日）印度物理 學(xué)家，專門研究數(shù)學(xué)物理。玻色最著名的研究是1920年代早期的量子物理研究， 該研究為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計及玻色-愛因斯坦凝聚理論提供了基礎(chǔ)。盡管跟玻色子、玻色-愛因斯坦統(tǒng)計及玻色-愛因斯坦凝聚概念相關(guān)研究獲得 的諾貝爾獎不止一個最近的是2001年的物理學(xué)獎，因?qū)ΣＩ?愛因斯坦凝聚 的理論進(jìn)展有貢獻(xiàn)而獲獎的。但玻色本人從未獲得過諾貝爾物理學(xué)獎。他多才多藝，能說多

16、國語言之余， 還會彈埃斯拉古琴。因此著名物理學(xué)家賈因特納里卡在他的科學(xué)邊緣一書中寫道：“SN 玻 色的粒子物理研究，其中闡明了光子的表現(xiàn)，并為統(tǒng)計遵從量子規(guī)則的微系統(tǒng)提 供了機(jī)會，是二十世紀(jì)印度科學(xué)貢獻(xiàn)的前十名之一，是可被視為諾貝爾獎級數(shù)的 研究?！辈Ｉ?924年寫了一篇推導(dǎo) 普朗克量子輻射定律的論文，當(dāng)中 并沒有提到任何古典物理。在開始 時未能發(fā)表的挫折下，他把論文直 接寄給身在德國的阿爾伯特愛因 斯坦。愛因斯坦意識到這篇論文的 重要性，不但親自把它翻譯成德 語，還以玻色的名義把論文遞予名 望頗高的德國物理學(xué)刊發(fā)表。 就是因為此次賞識，玻色能夠第一 次離開印度，前往歐洲并逗留兩年，期間與路

17、易德布羅伊、居里夫人及愛因斯 坦工作過。在這里我不得不說，愛因斯坦不止學(xué)術(shù)造詣很高，就連做人也是。正是他 的欣賞，他的推薦，才讓這個有學(xué)識的學(xué)生，能夠走的更遠(yuǎn)。沒有成為折翼的 小鳥。后來兩個人一起工作，發(fā)展了玻色愛因斯坦統(tǒng)計。君子有成人之美，成 就別人，就是成就自己。愛因斯坦用行動證實了中國的這句老話。玻色于1926年回到達(dá)卡，任教授兼物理學(xué)系主任。他并沒有博士學(xué)位，一 般來說他是不夠資格當(dāng)教授主任的，但是愛因斯坦還是推薦了他。并繼續(xù)留在達(dá) 卡大學(xué)教學(xué)至1945年。那時候他回到了加爾各答，在加爾各答大學(xué)教學(xué)至1956 年，他退休時被授予名譽(yù)教授頭銜。除物理以外，他還研究過生物化學(xué)及文學(xué)（孟加拉語及英語）。他還深入地 學(xué)習(xí)過化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、動物學(xué)、人類學(xué)、工程學(xué)及其他科學(xué)。作為一個有孟加拉 背景的人，他花了不少時間把孟加拉語推廣為教學(xué)語言，把科學(xué)論文翻成孟加拉 語，以及推廣該地區(qū)的發(fā)展。彪悍的人生，需要不斷的去探索。所以勇敢的去探索一些你不