你是费米子？还是玻色子？

在整个宇宙中，有两种不同类型的基本粒子：费米子和玻色子。所有的粒子，除了具有质量和电荷外，还具有自旋的性质。粒子的自旋为半整数（比如±1/2、±3/2、±5/2…）的称为费米子；自旋为整数（比如0、±1、±2,…）的称为玻色子。

那么问题是：费米子和玻色子之间的区别是什么？难道仅仅只是自旋为整数和半整数之间的区别？

△ 标准模型中的基本粒子，都已经被发现。夸克和轻子都属于费米子。（图片来源：E.Siegel）

乍一看下，通过这些性质为粒子分类好像是完全随机的。自旋的不同看起来好像微不足道，毕竟有一些更加显而易见的区别，例如：

• 夸克和轻子都属于费米子，前者会体验到强核力，而后者不会，这个区别要比费米子和玻色子间的区别更重大？
  

• 物质和反物质之间的区别也比粒子的自旋更有意义？

• 跟自旋相比，粒子具有质量和没有质量也重要的多？

但其实，自旋的不同有两个非常重要的意义是很多人没有意识到的。

首先，只有费米子具有反粒子伙伴。夸克的反粒子是反夸克，电子的反粒子是正电子，中微子的反粒子是反中微子。而另一方面，并没有所谓的反玻色子存在，许多玻色子的反粒子就是它们自身。

△ 一个玻色子——比如光子——可以是它自身的反粒子，但是费米子（比如电子）和反费米子（比如正电子）却非常不同。（图片来源：Andrew Deniszczyc, 2017）

从费米子中，可以制造出各种复合粒子，比如两个上夸克和一个下夸克会组成一个质子（也是一个费米子）。由于自旋的运作方式，如果将奇数个的费米子结合在一起，得到的复合粒子会表现的像费米子，这也是为什么可以有质子和反质子。但是由偶数个费米子组成的粒子，比如一个夸克和一个反夸克（称为介子）组合，会表现的像玻色子。举个例子，中性π介子（π⁰）的反粒子就是其自身。

为什么会这样，原因很简单：将具有自旋为±1/2的两个费米子相加，会得到自旋为 -1、0 或 +1的粒子，因此是玻色子；如果将三个这样的费米子相加，会得到自旋为-3/2, -1/2, +1/2 或+3/2的粒子，使其成为费米子。因此粒子和反粒子的区别是很重要的。但是还有第二个更重要的区别。

△ 氧原子的电子排布。由于电子是费米子，而不是玻色子，因此它们无法都处于基态（1s）。（图片来源：CK-12 Foundation and Adrignola of Wikimedia Commons）

那就是泡利不相容原理只适用于费米子，玻色子则不服从该原理。根据不相容原理，在任何量子系统中，两个费米子无法占据同一个量子态。但是玻色子就没有该限制。试想一下，取一个原子核，并开始加入电子进去，第一个电子会倾向于占据基态（即最低能量的状态）。由于它是一个自旋=1/2的粒子，电子的自旋态可以是+1/2或-1/2。如果添加第二个电子，它仍然会占据基态但具有相反的自旋态。但如果加入更多的电子会发生什么？它们不会进入基态（上图：1s），而是填满下一个能级。

△ 由于电子服从泡利不相容原理，原子之间才会连接产生分子，包括有机分子和生物过程。（图片来源：Jenny Mottar）

这就是为何元素周期表是这么排列的原因。正是因为泡利不相容原理，才导致了元素具有不同的物理和化学性质，能够组成各种不同的分子结构，才使复杂的化学和生命成为可能。

△ 铷原子形成玻色-爱因斯坦凝聚的过程。红色代表凝聚较少的区域，白色则代表非常密集的区域。（图片来源：NIST/JILA/CU-Boulder）

而另一个方面，玻色子却可以同时共享同一个量子态。这允许产生一种特别的物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚。将玻色子冷却到非常低的温度，它们就会全部聚集到能量最低的量子态。当氦（由偶数个费米子组成，因此表现的像一个玻色子）被冷却到足够低温下就会形成超流体，这是玻色-爱因斯坦凝聚的一个结果。自那之后，科学家制造了气体、分子、准粒子和光子的玻色-爱因斯坦凝聚。今天，这一领域的研究仍然非常活跃。

△ 费米子喜欢独来独往，单独住在一个房间，而玻色子则喜欢共享一个房间。（图片来源：CERN）

事实上，正是因为电子是费米子，白矮星才不会在自身的引力下坍缩；也正是因为中子是费米子，才阻止了中子星继续坍缩形成黑洞。

△ 一颗白矮星、中子星甚至是奇异的夸克星都是由费米子构成的。泡利简并压力抵抗了它们自身的引力，防止黑洞的产生。（图片来源：CXC/M. Weiss）

当物质和反物质湮灭或衰变，它们会在不同程度上加热系统，这取决于粒子服从费米-狄拉克统计（费米子所服从的统计规律）或玻色-爱因斯坦统计（玻色子所服从的统计规律）。这也是为什么今天微波背景辐射的温度为2.73开尔文，而宇宙中微子背景辐射的温度要比它低0.8开尔文。

费米子和玻色子，看似只有自旋上的整数和半整数的差别，但带来的结果却是服从了不同的量子规则，而这非常重要。

了解费米子和玻色子的区别以及重要性后，现在终于可以回答标题的问题，答案从下图中寻找：

△ 蓝色代表基本费米子（fermion），绿色代表基本玻色子（boson），红色代表复合粒子。（图片来源：Sean Carroll）

(小雨编译）

参考链接：

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/01/ask-ethan-whats-the-difference-between-a-fermion-and-a-boson/#10dff051c726

http://www.preposterousuniverse.com/blog/2012/04/25/what-particle-are-you/