组成世界的基本粒子：“费米子”和“玻色子”

按照某种分类，世界上所有的基本粒子只有两种，即费米子和玻色子。

费米是一个人，玻色是另一个人。那么，费米子和玻色子是什么意思呢？



费米（左）和玻色（右）

还记得泡利不相容原理吗？我们在第20课里讲到过，两个电子不能处于同一个状态中。电子就是费米子，是的，费米子就有这样一种特征，两个同样的粒子不能处于同一个状态中。那么，玻色子又是什么呢？简单来说，两个一模一样的玻色子可以处于同一个状态中，甚至，更多的玻色子可以处于同一个状态中。

电子是费米子的典型，光子是玻色子的典型。

回顾一下泡利不相容原理。如果将电子态比喻成云彩，泡利发现的这个原理可以表述为：两个电子不可能处于同一朵“云彩”中，当然，这朵“云彩”还含有电子的自旋状态。泡利不相容原理十分重要，它解释了原子的刚性：由于电子的“云彩”具有排他性，因此电子的“云彩”与我们现实生活中的云彩不同，不可能融合在一起。

现在，大家可能会问：既然是泡利发现电子之间不相容的，为什么这些粒子不叫泡利子，却叫费米子？

泡利发现不相容原理的时候，量子力学还没有建立，人们还没有工具做出费米的发现。1926年，费米发现，其实这个世界上的电子都是一模一样的，两个电子看上去没有任何不同，我们不能将一个电子称为张三，另一个电子称为李四，因为根本无法区别两个电子。但两个电子与双胞胎不同，尽管双胞胎看上去一样，但我们还是可以区别他们，因为他们不是同一人；可是电子就奇怪了，尽管两个电子好端端地在那里，我们却无法说出谁是谁。

费米的发现还可以表述为：尽管根据泡利不相容原理，两个电子不能处于同一个状态中，但是，它们之间根本无法区分。也就是说，每时每刻，一个电子既在这个状态中，又在另一个状态中。泡利并没有发现这个奇怪的现象。

同样在1926年，比费米稍晚，英国的天才物理学家狄拉克也发现了所有电子都长得一模一样。费米和狄拉克的发现，在量子力学中有一个名字，即费米—狄拉克统计。有一堆电子在那里，它们处于不同的状态中，但它们又长得一模一样。电子有这么一个奇怪的特点，与它们的自旋有关，电子的自旋角动量等于半个普朗克常数。

其实，任何粒子，只要它的自旋是普朗克常数乘以半整数，就是费米子。什么叫半整数？1/2，3/2，5/2，…都是半整数。

质子和中子是费米子，中微子和夸克也是费米子。泡利结合相对论和量子力学，证明了自旋是普朗克常数半整数倍的粒子，必须满足费米—狄拉克统计。

因为电子是费米子，所以这个世界中的物质才是稳定的，才不会变得越来越小。

光子就不同了，光子叫玻色子。所有玻色子长得一模一样，但多个玻色子可以存在于同一个状态中。满足这种特征的粒子，比如激光。

发现玻色子的是印度物理学家玻色。1924年，玻色写了一篇关于推导普朗克量子辐射定律的论文，文中并没有提到任何古典物理。这篇论文在开始时未能发表，受此挫折，玻色直接把论文寄给了身在德国的爱因斯坦。爱因斯坦意识到这篇论文的重要性，不但亲自把它翻译成德语，还以玻色的名义将论文发表在名望颇高的《德国物理学刊》上。正因为此次赏识，玻色能够第一次离开印度，前往欧洲并在那里逗留两年，在此期间他还与德布罗意、居里夫人及爱因斯坦一起工作过。



费米子和玻色子

爱因斯坦不仅推荐了玻色的论文，还将玻色的发现推广到了很多情况中，就这样，满足玻色子特征的粒子，也就满足了另一种统计，即玻色—爱因斯坦统计。

光子也有自旋，它们的自旋角动量等于一个普朗克常数。任何粒子，只要它的自旋是普朗克常数的整数倍，就是玻色子。

幸好，光子不是构成物质的粒子，否则这个世界就不稳定了，也不会有固体、液体了。但光子可以形成激光。我们接下来就谈谈激光。

激光和其他光一样，都是由光子组成的。我们知道，每个光子都有一定的能量。一般生活里常见的光，比如太阳光，就包含着许许多多的光子，而且这些光子的能量有大有小。但激光非常特别，它里面每个光子的能量都一样大。这就是激光与普通光最大的区别。换句话说，激光里面的光子处于同一个量子态中。

产生激光的过程，其实很像一场雪崩。雪崩是怎么产生的呢？我们知道，雪山上总是堆着一层层厚厚的积雪。当外部诱因使某一层的一小块雪滑下来的时候，就会引起下一层雪的共鸣，下一层的雪也跟着滑下来，又引起更下一层雪的共鸣，使更下一层的雪也滑下来。雪这样一层层地往下滑，形成连锁反应，最终就演变成了一场壮观的雪崩。

1917年，爱因斯坦发现这个辐射过程是可以诱导的，把一个光子打入原子，它可以诱导原子中的电子从高轨道跑到低轨道，同时发出一个跟第一个光子能量完全相同的新光子。这个过程叫受激辐射。一个光子打入原子，就跑出两个一模一样的光子；这两个光子再打入两个新原子，就跑出四个完全一样的光子，这样不断进行下去，就会形成一个原子的“雪崩效应”，从而产生大量的光子。而且所有光子都携带相同的能量，这样产生出来的光就是激光。



受激辐射

爱因斯坦在1917年就建立了激光理论，但一直等到30多年后，也就是20世纪50年代初，才有一个叫汤斯的人把激光发明出来。汤斯这个人很有意思，他年轻时喜欢研究理论，所以就考到加州理工学院物理系读研究生。但他视力不好，在去医院看医生时，医生说他视力不好，看数学公式会比较困难，干脆不要做理论研究了，不如去做实验。汤斯听从了医生的劝告，不做理论，改行做实验了。因为做实验，他发明了激光，最后获得了诺贝尔物理学奖。

回过头来说一说费米。费米不仅发现了费米—狄拉克统计，也是第一个建立核反应堆的人。同时，他还发现中微子的秘密，中微子的名字就是他命名的。可以说，意大利在出现伽利略这样一个伟大的物理学家之后，好多年没有再出现很伟大的物理学家了，直到费米的出现。

因为建立了第一个核反应堆，费米被誉为原子能之父。费米在理论和实验方面都有一流的建树，这在现代物理学家中是屈指可数的。100号化学元素镄、美国伊利诺伊州著名的费米实验室、芝加哥大学的费米研究所都是为纪念他而命名的。费米人生的最后几年，主要从事高能物理的研究。费米还是杨振宁和李政道的老师。可以说，截至今天，费米是世界上最后一个全能物理学家。

电子是费米子，满足泡利不相容原理，质子、中子和夸克也是费米子。光子是玻色子。因为光子是玻色子，所以才会有激光。在这个世界上，所有基本粒子，不是费米子就是玻色子，不存在第三种基本粒子。