玻色子

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　　 （本文根据 CC-BY-SA 协议转载自原搜狗科学百科对英文维基百科的翻译）

　　 在量子力学中，玻色子 boson（/ˈboʊsɒn/,[1] /ˈboʊzɒn/[2]）是遵循玻色-爱因斯坦统计的粒子；玻色子是两类粒子之一，另一类是费米子；[3] 玻色子这个名字是保罗·狄拉克（Paul Dirac）[4][5] 为了纪念与阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）一起发展玻色-爱因斯坦统计理论（描述基本粒子性质的理论）[6]的印度物理学家、加尔各答大学和达卡大学的物理教授萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）[7][8]而命名的。

　　 玻色子包含基本粒子，如光子、胶子、$W$ 玻色子和 $Z$ 玻色子（标准模型的四个传递力的规范玻色子）、最近发现的希格斯玻色子和量子引力理论中的引力子。一些复合粒子也是玻色子，如介子和稳定的质量数为偶数的原子核，如氘（一个质子和一个中子，原子质量数= 2）、氦-4 或铅-208 以及一些准粒子（例如库珀对、等离子体激元和声子）。[9]

　　 玻色子的一个重要特征就是玻色统计不限制占据相同量子态的玻色子的数量。氦-4 被冷却成超流体时，就是这种特性的例证。[10] 与玻色子不同，两个相同的费米子不能占据同一个量子态。构成物质的基本粒子（即轻子和夸克）是费米子，而基本玻色子是力的传递者，起到将物质粘合在一起的作用。[11] 该属性适用于所有具有整数自旋的粒子（$s=0,1,2$ 等），这是作为自旋统计定理的结果。当玻色子的气体被冷却到绝对零度附近的时候，粒子的动能减少到可以忽略的程度，并且它们凝结成最低能级状态。这种状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚。这一性质被认为是超流现象的解释。

1. 类型

　　 玻色子可以是基本粒子，比如光子，也可以是复合粒子，比如介子。

　　 虽然大多数玻色子是复合粒子，但在粒子物理的标准模型中，还是有五个玻色子是基本粒子：

• 标准模型需要（至少）一个标量玻色子（自旋=0）

　　 $H^0$ 希格斯玻色子

• 四个矢量玻色子（自旋=1）是标准模型要求的规范玻色子：

　　
$Y$ 光子
$g$ 胶子（八种不同类型）
$Z$ 中性弱玻色子
$W\pm$ 带电弱玻色子（两种类型）

　　 可能有第六种张量玻色子（自旋=2）, 引力子（G）, 也就是传递引力的粒子。它仍然是一个假设的基本粒子，因为迄今为止所有将引力纳入标准模型的尝试都失败了。如果引力子确实存在，它一定是玻色子，而且一定是规范玻色子。

　　 复合玻色子，如氦核，在超流和玻色-爱因斯坦凝聚的其他应用中非常重要。

2. 性能

　　 玻色子不同于费米子，费米子服从费米-狄拉克统计。两个或多个相同的费米子不能占据同一的量子态。

　　 由于具有相同能量的玻色子可以在空间中占据相同的位置，玻色子通常是力的传递者，包括介子等复合玻色子。费米子通常与物质有关（尽管在量子力学中这两个概念之间的区别并不明显）。

　　 玻色子是服从玻色-爱因斯坦统计的粒子：交换两个玻色子（相同种类），系统的波函数不变。[12] 另一方面，费米子服从费米-狄拉克统计和泡利不相容原理：两个费米子不能占据同一个量子态, 可以说明了包含费米子的物质的 “刚性” 或 “硬度”。因此，费米子有时被认为是物质的组成成分，而玻色子被认为是传递相互作用的粒子（力的传递者），或者辐射的组成成分。玻色子的量子场是遵循规范对易关系的玻色子场。

　　 激光、脉泽、超流氦-4 和玻色-爱因斯坦凝聚体的性质都是玻色子统计的结果。另一个结果是热平衡状态下的光子气光谱是普朗克光谱，一个例子就是黑体辐射；还有一个就是不透明的早期宇宙的热辐射，如今称为微波背景辐射。基本粒子间的相互作用被称为基本相互作用。虚玻色子与实粒子的基本相互作用产生了我们所知道的所有力。

　　 所有已知的基本粒子和复合粒子都是玻色子或费米子，这取决于它们的自旋：自旋为半整数的粒子是费米子；具有整数自旋的粒子是玻色子。在非相对论量子力学的框架下，这是一个纯粹的经验观察结果。在相对论量子场论中，自旋统计定理表明半整数自旋粒子不能是玻色子，整数自旋粒子不能是费米子。[13]

　　 在大系统中, 当玻色子和费米子的波函数重叠时，他们的统计差异只有在密度较大时才体现。低密度时，两种统计都可以被麦克斯韦-波尔兹曼统计所良好近似，这就是经典统计。

3. 基本玻色子

　　 目前所有观测到的基本粒子要么是费米子，要么是玻色子。所有观测到的基本玻色子又都是规范玻色子：光子，$W$ 玻色子和 $Z$ 玻色子，胶子，除了希格斯玻色子是标量玻色子。

• 光子是电磁场力的传递者。
• $W$ 和 $Z$ 玻色子是弱相互作用力的传递者。
• 胶子是强相互作用力的传递者。
• 希格斯玻色子通过希格斯机制赋予 $W$ 和 $Z$ 玻色子（以及其他粒子）质量。他们的存在已经被欧洲核子中心在 2013 年 3 月 14 日所证实。

　　 最后，许多量子引力的方法都为引力假设一个力的传递者，即引力子。引力子是自旋正负 2 的玻色子。

4. 复合玻色子

　　 复合粒子（如强子、原子核和原子）可以是玻色子或费米子，这取决于他们的组成成分。更准确地说，取决于自旋和统计之间的关系，包含偶数费米子的粒子是玻色子，因为它有整数自旋。

　　 例如：

• 任意介子，因为介子包含一个夸克和一个反夸克。
• 碳 12 原子的原子核，包含 6 个质子和 6 个中子。
• 氦-4 原子，由 2 个质子、2 个中子和 2 个电子组成。
• 氘的原子核也就是氘核及其反粒子。

　　 由基本粒子被势束缚组成的复合粒子中玻色子的数量与其是玻色子还是费米子没有关系。

5. 量子态

　　 玻色-爱因斯坦统计允许相同的玻色子占据同一量子态，但是这并不是必须的。除了统计之外，玻色子还可以相互作用：例如，氦-4 原子在距离彼此很近的情况下受到分子间力的排斥，如果假设它们在空间定域态下凝聚，那么统计的作用效果不能克服势的作用效果。若处于空间非定域态（即低 $|\psi(x)|$）：如果冷凝物的数量密度与普通液态或固态中的数量密度大致相同，那么在这种状态下，N-粒子冷凝物之间的排斥势不会高于在没有量子统计的情况下描述的相同 $N$ 粒子液态或晶格之间的排斥势。因此，物质粒子的玻色-爱因斯坦统计不是无视相应物质密度的物理限制的机制，而超流液氦的密度与普通液体物质的密度相当。根据不确定性原理，空间非定域态也允许低动量，同样也允许低动能：这是为什么超流和超导现象通常在低温时可以观测到的原因。

　　 光子之间没有相互作用，因此无法在实验上观测这种在聚集状态中的差异。

6. 笔记

1. Even-mass-number nuclides, which comprise 153/254 = ~ 60% of all stable nuclides, are bosons, i.e. they have integer spin. Almost all (148 of the 153) are even-proton, even-neutron (EE) nuclides, which necessarily have spin 0 because of pairing. The remaining 5 stable bosonic nuclides are odd-proton or odd-neutron stable nuclides (see even and odd atomic nuclei#Odd proton, odd neutron); these odd–odd bosons are: 21H, 63Li,105B, 147N and 180m73Ta). All have nonzero integer spin.
2. Despite being the carrier of the gravitational force which interacts with mass, the graviton is expected to have no mass.

7. 参考文献

　　 [1] ^Wells, John C. (1990). Longman pronunciation dictionary. Harlow, England: Longman. ISBN 978-0582053830. entry "Boson".

　　 [2] ^"boson". Collins Dictionary..

　　 [3] ^Carroll, Sean (2007). Guidebook. Dark Matter, Dark Energy: The dark side of the universe. The Teaching Company. Part 2, p. 43. ISBN 978-1598033502. ... boson: A force-carrying particle, as opposed to a matter particle (fermion). Bosons can be piled on top of each other without limit. Examples include photons, gluons, gravitons, weak bosons, and the Higgs boson. The spin of a boson is always an integer, such as 0, 1, 2, and so on ....

　　 [4] ^Notes on Dirac's lecture Developments in Atomic Theory at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945. UKNATARCHI Dirac Papers. BW83/2/257889..

　　 [5] ^Farmelo, Graham (2009-08-25). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom (in 英语). Basic Books. p. 331. ISBN 9780465019922..

　　 [6] ^"Higgs boson: The poetry of subatomic particles". BBC News. 4 July 2012. Retrieved 6 July 2012..

　　 [7] ^Daigle, Katy (10 July 2012). "India: Enough about Higgs, let's discuss the boson". AP News. Retrieved 10 July 2012..

　　 [8] ^Bal, Hartosh Singh (19 September 2012). "The Bose in the Boson". The New York Times blog. Retrieved 21 September 2012..

　　 [9] ^Poole, Charles P. Jr. (11 March 2004). Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics. Academic Press. ISBN 978-0-08-054523-3..

　　 [10] ^"boson". Merriam-Webster Online Dictionary. Retrieved 21 March 2010..

　　 [11] ^Carroll, Sean. "Explain it in 60 seconds: Bosons". Symmetry Magazine. Fermilab/SLAC. Retrieved 15 February 2013..

　　 [12] ^Srednicki, Mark (2007). Quantum Field Theory. Cambridge University Press. pp. 28–29. ISBN 978-0-521-86449-7..

　　 [13] ^Sakurai, J.J. (1994). Modern Quantum Mechanics (Revised ed.). Addison-Wesley. p. 362. ISBN 978-0-201-53929-5..