物质對力：为什么剛好有两种类型的粒子

每个基本粒子落入两类之一。集体主义玻色子解释移動我们的力而个人主义费米子保持我们的原子不坍塌。

quantum physics

ByMatt von Hippel

Contributing Writer

June 23, 2025

在我们世界的丰富性之下躺着一种原始的简单性。一切都由一组剛好17个基本粒子组成，尽管这些粒子它們可能因质量或电荷不同，但剛好以两种基本类型而來。每个都要麽是“玻色子”要麽“费米子”。

物理学家保罗·狄拉克在1945年的一次演讲中捏造了这两个术语，以帮助阐明它們的屬性的物理学家命名这两个粒子王国：玻色（Satyendra Nath Bose）和费米（Enrico Fermi）。

1924年，玻色在达卡大学工作，在今天被稱爲的孟加拉国。更早在1900年左右，马克斯·普朗克已經提出了一个热物体发射每种颜色光多少的法則。（普朗克的这种光以离散包或“量子”形式而來的洞察設定物理学家走在量子力学道路上）。玻色发现了一個普朗克法則的更强数学推导。他写信给阿尔伯特·爱因斯坦，请求帮助将结果提交给一家德国期刊，然后与爱因斯坦合作来充实这个想法。

玻色和爱因斯坦的数学描述一种多个粒子能是完美的一樣：不仅有相同的电荷、质量和能量而且甚至同时存在于同一个地方的情况。光子光的粒子就是这样行爲的。例如，激光以许多相同波长同步化的光子组成，一起在一個光束中。我们现在叫这种粒子为玻色子。

同样的数学會原來是不仅對光子起作用。我们體驗的任何為力的東西是一個不可数的許多玻色子的集体奮力。光子结合來施加电磁力，而其他玻色子誕生将原子核结合在一起并造成放射性衰变的力。物理学家预计产生引力的假想“引力子”是玻色子。除了基本力之外，某些复合粒子例如氦原子也像玻色子一樣行爲。

但玻色和爱因斯坦的数学對电子不起作用。

当物理学家试图來分析金属中的电子时他们发现了奇怪的矛盾。例如，在电子携带电流的方式和它们保持热的方式之间出現有一個不一致。1926年，费米和狄拉克独立工作，他们都弄清了什么正在出錯：电子不是玻色子。与光子不同，相同的电子不能在同一个地方堆积起來。相反，每个电子必须至少以一个方式与它的同伴不同：一個不同的位置、能量或定向。我们现在叫这种粒子为费米子。（另一位物理学家約旦（Pascual Jordan）更早在一年前擊中同样的想法但没有及时发表來共享信譽。）

费米子使物质的复杂性成为可能。没有两个电子能在一個原子中占据相同的地方，因此一個原子中的电子越多，它们越散佈出去成分明的层，誕生氢、氦、金、银和元素周期表中所有其他元素的不同化学屬性。

除了电子，构成原子核中质子和中子的夸克也是费米子。中微子也是如此。费米子不需要是基本粒子；在物質中有集體的服從相同的排他性数学的电子群，比如被称为马约拉纳费米子的有朝一日可能为量子计算机提供动力的結構。

玻色（Satyendra Nath Bose（左））是达卡大学一位鲜为人知的物理学家，當時他设计了一种描述集体主义粒子现在以他的名字命名——玻色子的理论。恩里科·费米（右）后来发展了一种始终維持它們的独立性现在叫费米子粒子的理论。Public Domain

费米子和玻色子在群中如何行为之間的差异与它们之间的第二个区别手拉手：它们的自旋，一個當旋转时它们如何变化的度量。玻色子有整数倍的自旋。（例如光子有一个单位，引力子有两个单位）。这意味着当你把一個玻色子转一整圈时你会发现你开始的相同粒子，有相同的数学特性。与此同时，费米子有为半整数的自旋，例如电子的自旋为½。这意味着在完成一次完整的旋转后一個电子不同樣呆著。它的数学代表获得一个减号，你必须第二次转动它來让它回到它是的样子。

这两个定义特征最初似乎不相关。但在1939年，馬庫斯（Markus Fierz）证明了两者都是量子理论的数学结构的结果，一種现在被称为自旋统计定理的联系。（他的顾问沃尔夫冈·泡利在第二年发表了一份经过润色的证明）。

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甚至对物理学家这个证明是相当抽象的，而且它著名难的直覺的解释。但结果是如果你试图为一個遵循玻色和爱因斯坦数学的自旋-½粒子或一個服從费米-狄拉克统计的自旋-1粒子写下方程，这些理论化的粒子将违反神圣的物理原理如因果关系。

粒子王国的数量依靠维度的数量。自旋统计定理证明玻色子和费米子是在我们三维世界中唯一的两种可能性（除非你重新思考是什么让两个粒子相同）。这必須用这样一个在3維中一個粒子能在它的旧路径下旋转的事实做。螺旋在一個二维表面上是不可能的，在那里没有“之下”的一個觀念。因此，叫任意子的新型粒子能存在于二维中，有落入玻色子和费米子之间某個地方的行爲。在一个维度中，这种区别一起崩潰。在这样一个线上的世界里，玻色子和费米子就像两个有相同的解的不同方程：这两个王国是秘密的一个。

https://www.quantamagazine.org/matter-vs-force-why-there-are-exactly-two-types-of-particles-20250623/