网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

深度长文:万物拆解到最后,只剩这两种粒子,差异颠覆认知!

0
分享至

根据现代物理学,我们身边的万事万物,小到灰尘细菌,大到恒星星系,拆到最底层全是基本粒子。

那如果给这些基本粒子分个大类,总共能分出几类?

答案可能比你想的简单得多:就两类。



一类叫费米子,一类叫玻色子。

这俩名字听着都像外国人名,事实上也确实是用人名命名的。

但很多人不知道的是,这两类粒子的性格堪称天差地别,一个高冷孤僻,一个热情群居;一个撑起了物质世界的骨架,一个点亮了宇宙的光与能量。

今天咱们就掰开揉碎了聊聊,这费米子和玻色子,到底是怎么回事。

要说费米子,就绕不开一个物理学里如雷贯耳的规则:泡利不相容原理。



很多人上学的时候都听过这个词,但可能没搞懂它到底在说啥。

说白了就一句话:两个费米子,绝对不能处于完全相同的量子状态。

拿我们最熟悉的费米子,电子来举例。

如果把原子里的电子能级比作一层层的楼层,每个楼层里还有不同的“房间”对应不同的自旋状态,那泡利不相容原理就规定了:一个房间里最多只能住一个电子。



你可别小看这个规则。

咱们这个世界能有固态液态、能有万物的体积,本质上全靠这个原理撑着。

要是电子不遵守这个规则,全都能挤到能量最低的那一层,那所有原子都会塌缩成一个点,你坐的椅子、脚下的大地,甚至你自己,都会瞬间缩成看不见的小点。

往大了说,整个元素周期表的化学性质、原子之间的化学键,本质上也都是电子按照泡利原理一层层排布的结果。

为了让大家好理解,物理学界还流传过一个很形象的八卦。

说到泡利,这位20世纪的天才物理学家,人称“物理学界的良心”,怼人怼遍天下无敌手,但他有个特别出名的爱好:跳舞。



据说当年第二届索尔维会议召开,那可是全世界最顶尖物理学家的峰会,能收到邀请的都是泰斗级人物,参加一次堪称学术生涯的荣耀。结果泡利倒好,直接放了会议的鸽子,转头去参加了一个大型舞会,在舞池里跳得不亦乐乎。

后来有人就拿这件事编了个段子,完美对应泡利不相容原理:舞会上,一个男生邀请一个女生跳舞,一男一女搭配,跳得好好的;但要是这时候又过来一个女生,也想跟这个男生跳,那肯定会被原来的女生排斥。

你看,电子就像舞会上的女生,绝对不允许另一个电子和自己处在完全相同的状态里。

段子归段子,泡利不相容原理的重要性怎么强调都不为过。

但很多人这里就会问了:既然这个原理是泡利先提出来的,那这类粒子为啥不叫“泡利子”,反倒叫费米子呢?

这就得说到量子力学发展的时间差了。

泡利提出不相容原理是在1925年,那时候大家对微观粒子的认知还没到“全同”的层面。

在我们的常识里,哪怕两个东西长得再像,也是能区分的:比如一对双胞胎,看着一模一样,我们总能找到细微差别,给他们起不同的名字,一个叫大明一个叫小明。

但在量子世界里,电子这种粒子,是完全、彻底不可区分的。

两个电子摆在你面前,它们的质量、电荷、自旋所有属性都完全一样,没有任何记号、任何痕迹能让你说出“这个是电子A,那个是电子B”。你甚至连它们有没有交换过都不知道,因为交换之后,整个系统没有任何变化。

这件事看似不起眼,却直接改变了粒子的统计规律。

1926年,物理学家费米率先搞清楚了这种“不可区分粒子”的统计规则;几乎同时,狄拉克也独立得到了同样的结论。

所以这套统计方法,就被叫做费米-狄拉克统计。

而满足这套统计规则、自旋为半整数倍普朗克常数的粒子,就被称为费米子。



这里解释一下什么叫“自旋半整数”。

你可以把自旋简单理解成粒子的“内禀属性”,类似一种自带的角动量,单位是普朗克常数。

像电子的自旋就是1/2个普朗克常数,像3/2、5/2这样的半整数自旋,都是费米子的标志。

泡利后来也从理论上证明了:只要是自旋为半整数的粒子,就必然遵守不相容原理。

所以说白了,泡利不相容原理是费米子的外在表现,而半整数自旋才是费米子的内在身份牌。

我们熟悉的构成物质的粒子,几乎全是费米子家族的成员:电子、质子、中子,还有更底层的夸克,全都是自旋1/2的费米子。



也正因为它们是费米子,才能堆叠出有体积、有结构的宏观物质,才能让我们实实在在地“触摸”到这个世界。

顺带说一句费米这个人。他可不只是留下了一个统计规律。

这位意大利裔的物理学家,是20世纪罕见的理论和实验双顶尖的全才。



他主导建成了人类历史上第一座可控核反应堆,被称为“原子能之父”;元素周期表第100号元素镄,美国的费米国家实验室、费米研究所,全都是为了纪念他。

他还是杨振宁和李政道的导师,很多人评价他是“世界上最后一位全能物理学家”,在他之后,物理学越分越细,再也没人能同时在理论和实验两个领域都站到金字塔尖。

聊完了高冷孤僻、互相嫌弃的费米子,咱们再来说说性格完全相反的玻色子。



如果用一句话形容玻色子的特点,那就是:越多越热闹,多少个都能挤在同一个量子态里。

和费米子不一样,玻色子完全没有“不相容”的说法。

别说两个,就算成千上万个玻色子,也能舒舒服服地待在完全相同的状态里,步调一致,整齐划一。

打个通俗的比方:费米子就像电影院里的观众,一个座位只能坐一个人;玻色子就像舞台上的聚光灯,多少束光都能叠加在同一个点上,越聚越亮。

而玻色子这个名字的由来,背后也有一段很有意思的学术往事。



1924年,印度物理学家玻色写了一篇推导普朗克辐射定律的论文。当时的玻色还没什么名气,论文投出去屡屡碰壁,没人重视。

换做别人可能就放弃了,但玻色挺敢想,直接把论文寄给了当时已经名满天下的爱因斯坦。

爱因斯坦看完之后,立刻意识到了这篇论文的分量。

他不仅亲自把论文翻译成德语,还推荐给了德国顶尖的物理学期刊发表。

不仅如此,爱因斯坦还顺着玻色的思路延伸,把这套统计方法推广到了原子体系,最终形成了量子力学里非常重要的玻色-爱因斯坦统计。

也正因为这段渊源,满足这套统计规律、自旋为整数倍普朗克常数的粒子,就被命名为玻色子。

什么是整数自旋?

比如光子的自旋就是1个普朗克常数,像0、1、2这样的整数自旋,都是玻色子的身份证。 我们最熟悉的玻色子,就是光子。



很多人每天都在接触光,但很少有人意识到:激光这种东西,能存在本身,就是因为光子是玻色子。

咱们平时见的自然光,比如太阳光、灯光,里面的光子都是“各自为政”的:能量有高有低,方向乱七八糟,就像大街上熙熙攘攘的人群,各走各的。

但激光不一样。

激光里的所有光子,能量完全一样,频率完全一样,传播方向也完全一样,说白了,它们都处在完全相同的量子态里,整齐得像阅兵式上的方阵。

这就是玻色子“爱抱团”的特性带来的宏观奇观。

那这么整齐的光子方阵是怎么造出来的呢?

这就得说到爱因斯坦1917年提出的一个概念:受激辐射。

这个过程说起来有点像雪崩。

你想,雪山的山坡上堆着厚厚的积雪,本来好好的,突然一小块雪松动滑落,砸到下面一层,引发下面一层的雪也跟着滑下来,一层带动一层,连锁反应之下,最终形成壮观的雪崩。

受激辐射也是类似的道理。



一个光子打进原子里,会诱导原子里的高能级电子跳到低能级,同时释放出一个和入射光子一模一样的新光子。

这时候一个光子就变成了两个;这两个光子再去轰击另外两个原子,又会变成四个;这样一层层倍增下去,短时间内就能产生大量一模一样的光子。

这些光子不仅能量相同,连相位、传播方向都完全一致,就像无数个芭蕾舞演员做着完全相同的动作,整齐划一。

这束高度同步的光,就是激光。

不过有意思的是,爱因斯坦1917年就从理论上预言了受激辐射,但真正造出激光,已经是30多年后的事了。

这里还有个小故事。第一台激光器的发明者之一叫汤斯,他年轻的时候本来是搞理论物理的,结果视力不好,看公式费劲。

医生就跟他说:你连公式都看不清楚,还搞什么理论研究?不如去做实验吧。

汤斯听了医生的建议,转去做实验物理,结果反而歪打正着,在1950年代主导发明了激光,后来还拿了诺贝尔物理学奖。

如今激光早就渗透到了我们生活的方方面面:从扫码支付的扫码枪,到医院里的激光手术,从光纤里传输信息的光信号,到实验室里的精密测量,背后全都是玻色子这种“爱扎堆”的特性在发力。

除了光子之外,玻色子家族还有很多重要成员:比如传递强相互作用的胶子,负责把夸克粘在一起形成质子中子;还有大名鼎鼎的希格斯玻色子,负责给其他粒子赋予质量,被称为“上帝粒子”。

如果说费米子是构成世界的砖块,那玻色子就是砖块之间的水泥和信使,负责传递各种基本作用力,让整个世界连为一体。



说到这儿,你应该就明白了:我们这个看似复杂的世界,底层的基本粒子其实就这么两大类。

费米子,自旋半整数,恪守互不相容,一层层堆叠出原子、分子、山川湖海,构成了所有物质的骨架; 玻色子,自旋整数,喜欢抱团同步,穿梭在粒子之间传递能量与相互作用,点亮了光,驱动了力,让世界运转起来。

一冷一热,一静一动,两类粒子就这么搭档,撑起了整个宇宙的精彩。

很多人觉得量子力学离自己很远,都是些听不懂的公式和概念。

但其实你每天睁开眼睛看到的光,你站在地上感受到的支撑,你手机里的芯片和激光雷达,本质上都是这两类粒子特性的体现。

人类花了几十年的时间,从发现现象到总结规律,再到摸清它们的本质,一步步揭开微观世界的面纱。

而这背后,是泡利、费米、玻色、爱因斯坦、狄拉克……

一个个天才的思考和探索。

有意思的是,直到今天,我们依然会有很多疑问:为什么粒子会有自旋?为什么自旋半整数就是费米子?为什么会有玻色-爱因斯坦统计?

这些问题,有些我们已经有了答案,有些还在探索的路上。

但这也正是物理的魅力所,永远有未知,永远有下一个问题等着我们去回答。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中国首个海外机场启用,歼16从这里起飞,能覆盖整个马六甲海峡

中国首个海外机场启用,歼16从这里起飞,能覆盖整个马六甲海峡

军武吐槽君
2026-09-30 14:13:02
中考去了普高,基本与985无缘!头部普高还有机会冲一下211,一般的普高连考个本科都费劲

中考去了普高,基本与985无缘!头部普高还有机会冲一下211,一般的普高连考个本科都费劲

好爸育儿
2026-10-01 12:17:22
气炸!上海面馆贴满硬核告示火了,写明“谢绝本地中年妇女点单”

气炸!上海面馆贴满硬核告示火了,写明“谢绝本地中年妇女点单”

吃货的分享
2026-10-01 10:19:19
C罗退队原因曝光!葡媒炮轰:膨胀的自负蒙蔽其双眼 梦想长生不老

C罗退队原因曝光!葡媒炮轰:膨胀的自负蒙蔽其双眼 梦想长生不老

风过乡
2026-10-01 07:31:17
全球仅两株! 北京“世界上最孤独的植物”迎来丰收 , 偷吃即可入刑

全球仅两株! 北京“世界上最孤独的植物”迎来丰收 , 偷吃即可入刑

万象硬核本尊
2026-09-30 16:39:48
媒体:C罗这个耽误黄金一代夺冠的沉重累赘,终于走了!

媒体:C罗这个耽误黄金一代夺冠的沉重累赘,终于走了!

历史第一人梅西
2026-10-01 12:34:20
豆浆竟是血脂杀手?医生紧急提醒:不想血管堵塞,这4样东西少吃

豆浆竟是血脂杀手?医生紧急提醒:不想血管堵塞,这4样东西少吃

王二哥老搞笑
2026-09-27 16:11:44
知名投资人曝刘欢真正死因!大家都猜错了,8月他在餐厅状态不错

知名投资人曝刘欢真正死因!大家都猜错了,8月他在餐厅状态不错

笑饮孤鸿非
2026-09-29 03:04:49
学院党委书记被指抄袭!校方:免职、撤销教授(正高)职称

学院党委书记被指抄袭!校方:免职、撤销教授(正高)职称

双一流高校
2026-10-01 02:02:07
窦骁晒加拿大的别墅,中秋一个人过,何超莲回娘家陪母亲仍未怀孕

窦骁晒加拿大的别墅,中秋一个人过,何超莲回娘家陪母亲仍未怀孕

椰黄娱乐
2026-09-30 17:08:57
亏损超1亿?古天乐国庆档新片票房崩塌,观众不再为情怀买单了

亏损超1亿?古天乐国庆档新片票房崩塌,观众不再为情怀买单了

靠谱电影君
2026-10-01 21:04:28
马斯克的身体有什么问题?看上去特别夸张,胸背较常人突出很多

马斯克的身体有什么问题?看上去特别夸张,胸背较常人突出很多

西楼知趣杂谈
2026-09-29 14:00:46
四十年一遇大反转!低利率时代要结束了?手里有现金的人要笑了!

四十年一遇大反转!低利率时代要结束了?手里有现金的人要笑了!

墨策史
2026-10-01 14:58:10
油价调整通知:受国际油价大跌的影响,汽柴油价格将会重新下跌0.11元/升-0.14元/升

油价调整通知:受国际油价大跌的影响,汽柴油价格将会重新下跌0.11元/升-0.14元/升

台州交通广播
2026-09-29 07:40:02
他们是陈妤颉父母,都是浙大体育特长生,父亲国家一级运动员

他们是陈妤颉父母,都是浙大体育特长生,父亲国家一级运动员

娱说瑜悦
2026-09-27 22:41:01
Goal:安帅年薪1000万欧居国家队主帅收入榜首,克洛普排第二

Goal:安帅年薪1000万欧居国家队主帅收入榜首,克洛普排第二

懂球帝
2026-10-01 20:45:34
芋头大量上市!研究:吃得越多,糖尿病患者寿命越长?真的吗?

芋头大量上市!研究:吃得越多,糖尿病患者寿命越长?真的吗?

王二哥老搞笑
2026-09-30 10:20:30
19岁、酒驾、超载、凌晨:贵州7死车祸,没有一个“如果”

19岁、酒驾、超载、凌晨:贵州7死车祸,没有一个“如果”

奶油芒
2026-09-30 11:45:15
贡萨洛-拉莫斯:我助葡萄牙晋级世界杯16强,打西班牙却没上场

贡萨洛-拉莫斯:我助葡萄牙晋级世界杯16强,打西班牙却没上场

懂球帝
2026-09-30 22:15:07
是否纠正“台湾有事”严重错误言论?日本官房长官正式回应来了!

是否纠正“台湾有事”严重错误言论?日本官房长官正式回应来了!

故事终将光明磊落
2026-09-30 10:03:02
2026-10-01 21:40:49
宇宙时空 incentive-icons
宇宙时空
热衷于宇宙和时空探索
15040文章数 97314关注度
往期回顾 全部

头条要闻

美最刺激过山车永久关闭:超百人称乘坐后脑损伤

头条要闻

美最刺激过山车永久关闭:超百人称乘坐后脑损伤

体育要闻

“今天的表现,我们可以昂首离开球场”

娱乐要闻

奚梦瑶晒四太豪礼!22只龙凤镯近300万

财经要闻

智谱发上亿Token 能挽回开发者信任吗?

科技要闻

5999元起!华为Mate 90系列发布

汽车要闻

2027款极氪001将于明年一季度上市 现款猎装同步推新配色

态度原创

数码
手机
教育
游戏
公开课

数码要闻

实验性项目借助原生FP8能力让AMD Radeon RX 9000显卡运行DLSS 4.5

手机要闻

华为Mate 90 Pro Max首发四卡三待功能,Mate XT 2预计10月中下旬OTA支持

教育要闻

@高三生 十月已至,这些高考大事将启动

新《神秘海域》爆料引爆!德雷克女儿回归会很棒

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版