[科普中国]-两种基本粒子——玻色子和费米子

我们知道物质是由原子组成的，原子是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。但是大家知道玻色子和费米子吗？它们是什么？对我们来说又有什么意义呢？

在了解玻色子和费米子之前，大家要先了解一下量子这个概念。

量子是一个物理学概念，不是实物，它是指一个事物的最小单位。

科学家们经过研究发现，微观世界的本质特征就是量子化，而在量子的世界中，费米子和玻色子则是最基础的存在。

随着科学家们对量子研究的逐渐深入，科学家们发现，在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，粒子具备“自旋”特性，有人把它理解成类似“地球自转”。

我们可以把粒子想象成一个小磁铁，当我们把磁铁放在磁场里会产生一定角度的偏转，就像指南针一样。而粒子的自旋就是如此，并且自旋的方向倾向于和磁场的方向平行。

自旋有大有小，但其数值是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。因此，科学家将不同自旋的粒子分成了两种，自旋的数值是整数的，叫“玻色子”；自旋的数值是半整数的，叫“费米子”。而我们常见的光子就是玻色子，电子则是费米子。

为什么要把这些粒子分成“玻色子”和“费米子”呢？因为两者在性质上有很大差别，主要体现在泡利不相容原理上。泡利不相容原理就是指两个费米子不能占据同一个状态，也就是说玻色子喜欢待在一起，有亲和力，而费米子无法待在一起，互为排斥。

比如，电子就是费米子，它们之间相互排斥，所以不同的电子在原子核外的时候不能都挤在同一个轨道上。而光子是玻色子，所以我们可以通过“挤压”形成特别狭窄的激光。

总的来说，费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。

量子的应用很多，比如量子通信，它是一种理论上“无法被窃听”的通信方式；还比如量子计算机，2020年我国学者研制出了76个光子的量子计算原型机“九章”。相比电子计算机，量子计算机运算能力将是指数级增长。

现在大家了解玻色子和费米子了吗？

本文由山东省威海市凤林学校二级教师刘欢进行科学性把关。

新华网科普事业部

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