我們知道物質(zhì)是由原子組成的,原子是由原子核與電子組成的,原子核是由質(zhì)子和中子組成的。但是大家知道玻色子和費(fèi)米子嗎?它們是什么?對我們來說又有什么意義呢?
在了解玻色子和費(fèi)米子之前,大家要先了解一下量子這個(gè)概念。
量子是一個(gè)物理學(xué)概念,不是實(shí)物,它是指一個(gè)事物的最小單位。
科學(xué)家們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),微觀世界的本質(zhì)特征就是量子化,而在量子的世界中,費(fèi)米子和玻色子則是最基礎(chǔ)的存在。
隨著科學(xué)家們對量子研究的逐漸深入,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在微觀世界中,很多微小的粒子并不是固定不動的,粒子具備“自旋”特性,有人把它理解成類似“地球自轉(zhuǎn)”。
我們可以把粒子想象成一個(gè)小磁鐵,當(dāng)我們把磁鐵放在磁場里會產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn),就像指南針一樣。而粒子的自旋就是如此,并且自旋的方向傾向于和磁場的方向平行。
自旋有大有小,但其數(shù)值是量子化的,也就是說,它只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍。因此,科學(xué)家將不同自旋的粒子分成了兩種,自旋的數(shù)值是整數(shù)的,叫“玻色子”;自旋的數(shù)值是半整數(shù)的,叫“費(fèi)米子”。而我們常見的光子就是玻色子,電子則是費(fèi)米子。
為什么要把這些粒子分成“玻色子”和“費(fèi)米子”呢?因?yàn)閮烧咴谛再|(zhì)上有很大差別,主要體現(xiàn)在泡利不相容原理上。泡利不相容原理就是指兩個(gè)費(fèi)米子不能占據(jù)同一個(gè)狀態(tài),也就是說玻色子喜歡待在一起,有親和力,而費(fèi)米子無法待在一起,互為排斥。
比如,電子就是費(fèi)米子,它們之間相互排斥,所以不同的電子在原子核外的時(shí)候不能都擠在同一個(gè)軌道上。而光子是玻色子,所以我們可以通過“擠壓”形成特別狹窄的激光。
總的來說,費(fèi)米子和玻色子,就是我們這個(gè)世界存在的微觀基礎(chǔ)。
量子的應(yīng)用很多,比如量子通信,它是一種理論上“無法被竊聽”的通信方式;還比如量子計(jì)算機(jī),2020年我國學(xué)者研制出了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。相比電子計(jì)算機(jī),量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力將是指數(shù)級增長。
現(xiàn)在大家了解玻色子和費(fèi)米子了嗎?
本文由山東省威海市鳳林學(xué)校二級教師劉歡進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。
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