解析玻色子與費米子之深層邏輯

解析玻色子與費米子之深層邏輯

胡 良

摘要：玻色子是自旋為整數的粒子，只能取不連續的量子態，其本徵波函數對稱；在玻色子的某一個能級上，允許多個玻色子佔有同一種狀態，可容納無限個粒子。費米子是自旋為半整數的粒子，其本徵波函數反對稱，在費米子的某一個能級上，只能容納一個粒子。

關鍵詞：玻色子，費米子，光子，輻射，量子場論，引力場

作者：總工，高工，碩士

The difference between boson and fermion

Hu Liang

Abstract：

The energy constant (Hu) is the smallest energy unit,Hu = h * C=Vp*C^(3), which reflects the intrinsic relationship between the vacuum speed of light (C) and Plancks constant (h).

1玻色子的內涵

玻色子是自旋為整數的粒子，只能取不連續的量子態，其本徵波函數對稱；在玻色子的某一個能級上，允許多個玻色子佔有同一種狀態，可容納無限個粒子。

根據量子場論，粒子之間基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的；換句話說，基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統稱規範玻色子。

玻色子不遵守泡利不相容原理，在低溫時可發生玻色-愛因斯坦凝聚。由偶數個核子組成的原子核。因為質子和中子都是費米子，故含偶數個核子的原子核是自旋為整數的玻色子。

光子是玻色子，根據玻色-愛因斯坦統計法，可將電磁輻射作為光子氣體來描述，而無需再利用輻射的波動性，就能夠預言黑體輻射性質。

波粒二象性認為，光子（或電子等實體）既能用波也能用粒子來描述。玻色子是量子理論中負責傳遞力的粒子。比如，電磁力可以描述為兩個帶電粒子，例如一個電子及一個質子之間交換光子。

玻色子的關鍵特性是它的自旋。所有玻色子的自旋要麼是零要麼是整數。

玻色子是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。由全同玻色子組成的孤立系統，符合玻色－愛因斯坦統計，遵從玻色-愛因斯坦統計的微觀粒子。

玻色子的自旋為整數，例如光子等。由玻色子或偶數個費米子組成的複合粒子的自旋也是整數，因而它們也是玻色子。

費米子是構成實物的粒子及傳遞作用力的粒子。在量子世界裡，所有的成員都有標定各自基本特性的四種量子屬性：質量、能量、磁矩和自旋。

粒子自旋，這四種屬性當中，自旋的屬性是最重要的，根據自旋倍數的不同，基本粒子分為玻色子和費米子兩大類。費米子是像電子一樣的粒子，有半整數自旋；而玻色子是像光子一樣的粒子，有整數自旋。

這種自旋差異使費米子及玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處於同一地點；而玻色子卻能夠具有相同的特性。

基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料；而傳遞作用力的粒子都是玻色子。

粒子可分成兩大類：一類是費米子，另一類是玻色子。區分這兩類粒子的重要特徵是自旋。

自旋是粒子的一種與其角動量（半徑與動量的乘積）相聯繫的固有性質。量子的自旋是量子化的，只能取普朗克常數的整數倍（玻色子，如光子等）或半整數倍（費米子，如電子、質子等）。

費米子和玻色子遵循完全不同的統計規律。前者遵循的費米-狄拉克統計，其中一個顯著和特點，泡利不相容原理就是在一個費米子系統中，絕不可能存在兩個或兩個以上在電荷、動量和自旋朝向等方面完全相同的費米子。而玻色子則完全不同，一個量子態可以容納無窮多個玻色子。

光子就是玻色子，其表達式為：

體現為光子波動性屬性。

等價於：

體現為光子粒子性屬性。

等價於：

體現為光子波粒中間態屬性（部分波動屬性及部分粒子屬性）。

可見，光子具有三種狀態：光子波動性屬性，光子粒子性屬性，光子波粒中間態屬性（部分波動屬性及部分粒子屬性）。

光子波粒中間態是光子的波動性屬性過渡到光子粒子性屬性的中間狀態。

其中， ， ， ， 。

2費米子的內涵

費米子是自旋為半整數的粒子，其本徵波函數反對稱，在費米子的某一個能級上，只能容納一個粒子。

費米子是依隨費米-狄拉克統計、角動量的自旋量子數為半奇數整數倍的粒子。

電子是費米子，其表達式為：

，

其中， ， 。

質子類型是費米子，其表達式為：

其中， ， 。

中子是費米子，其表達式為

，

其中， ； 。

3物質的狀態

物質具有六態，氣態、液態、固態、等離子體態、玻色-愛因斯坦凝聚態及費米子凝聚態。

氣態的物質，其分子與分子之間距離很遠。

液態的物質，其分子相互之間靠得很近，而其密度比氣態大得多。

固態的物質，其構成元素是以原子（或離子）狀態存在，原子（或離子）相互之間緊挨在一起。

等離子體態物質，被激發的電離氣體，在達到一定電離度之後，處於導電狀態。電離氣體中的每一個帶電粒子運動都會影響到其周圍帶電粒子，並同時也受到其他帶電粒子約束。但，由於電離氣體內，其正負電荷數相等。

4玻色-愛因斯坦凝聚態與費米子凝聚態

玻色-愛因斯坦凝聚態物質，表達原來不同狀態的原子突然凝聚到同一狀態。玻色-愛因斯坦凝聚態物質，是由成千上萬個具有單一量子態的超冷粒子集合，其行體現為一個超級大原子，由玻色子構成。可見，玻色-愛因斯坦凝聚態物質由玻色子構成。處於玻色-愛因斯坦凝聚態的大量原子行為跟單個粒子一樣；其表達原來不同狀態的原子突然凝聚到同一狀態。通常，要達到該狀態，一方面需要物質達到極低的溫度，而另一方面還要求原子體系處於氣態。

費米子凝聚態物質，由於，任何兩個費米子都不能擁有相同量子態，因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。只能將費米子成對轉變成玻色子；使費米子具有玻色子屬性，從而讓氣體突然冷凝至玻色-愛因斯坦凝聚態。

費米子凝聚態及與玻色-愛因斯坦凝聚態都是物質在量子狀態下的形態。可見，費米子凝聚態物質採用的是費米子；當物質冷卻時，費米子逐漸佔據最低能態。

將兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的費米子對；其組合的費米子雖然不是玻色子，但其具有玻色子的一些性質（該組合粒子也是整數自旋）；但從根本上的統計角度來看，是不同的。

玻色子凝聚體現為所有粒子的波函數完全相同；而費米子凝聚是說，只是體現為費米子對的兩個費米子總的動量相同, 所以費米子凝聚是總動量的凝聚。

換句話說，費米子對可以形成束縛態，類似一個複合粒子（例如，原子就是一種複合粒子），而這個複合粒子的屬性體現為一個玻色子。可見，費米子對凝聚態，從本質上來看，就是玻色-愛因斯坦凝聚態。

玻色-愛因斯坦凝聚態指大量全同的某類玻色子凝聚到完全相同的同一種量子狀態（這些玻色子各種物理屬性都完全相同）；其與普通物態最大的不同之處是普通物態的組成粒子的狀態是各不相同的。

可見，玻色-愛因斯坦凝聚態與普通氣態（或固態），具有有相似之處，又有不同之處。例如，組成粒子不同，氣體（或固體）是分子（或原子）構成的；而玻色-愛因斯坦凝聚態構成粒子，除了整數自旋的分子（或原子）以外，還可以由任何其他玻色子凝聚而成；例如，光子處於玻色-愛因斯坦凝聚態時，體現為激光。

構成氣體（或固體）的分子（或原子）之間的分子力（或化學鍵）是決定氣體（或固體）性質核心因素；而。決定玻色-愛因斯坦凝聚態性質的核心因素是量子效應（一種態疊加）。

5玻色子及費米子之間相互作用

任何一個孤立體系具有內稟的一維空間速度，內稟的三維空間速度；或者說，任何一個孤立體系具有內稟的一維信號速度，內稟的三維信號速度。而，最大的一維信號速度是真空中的光速；最大的三維信號速度是真空中的三維光速。

孤立體系之間通過場來聯繫，體現為超距。

例如，強核力，本質上是中子與質子之間的力。對於一個中子與質子來說，相互之間的距離用 表達；萬有引力常數用 表達。

則強核力可表達為：

。

萬有引力，庫侖力，強核力，體現為超距；適合於用力來描述。而電磁力，弱核力與信號速度有關；適合於用動量來描述。

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