Частицы стандартной модели, с массами, указанными в левом верхнем углу. Три левых столбца занимают фермионы, два правых — бозоны
Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны. Каждая частица, в дополнение к обычным, известным вам свойствам, вроде массы и электрического заряда, обладает присущим ей количеством углового момента, известного, как спин. Частицы с полуцелыми спинами (±1/2, ±3/2, ±5/2,..) известны, как фермионы. Частицы с целыми спинами (0, ±1, ±2,..) — бозоны. Других частиц, фундаментальных или составных, во Вселенной нет. Но почему это имеет значение? Наш читатель спрашивает:
Не могли бы вы объяснить разницу между фермионами и бозонами? Что меняется при переходе от целого спина к полуцелому?
На первый взгляд, разбитие частиц на категории по таким свойствам кажется случайным.
Известные частицы в Стандартной Модели. Всё это фундаментальные частицы, открытые напрямую. У гравитона, пока неоткрытого, спин будет равен 2.
В конце концов, частица и есть частица, не так ли? Конечно же между кварками (подверженными воздействию сильного взаимодействия) и лептонами (не подверженными ему) разницы больше, чем между фермионами и бозонами? Конечно же, разница между материей и антиматерией значит больше, чем спин? А наличие или отсутствие массы — это гораздо больше, чем что-то настолько тривиальное, как угловой момент?
Оказывается, что со спином связано несколько небольших, имеющих значение, отличий, но есть два серьёзных отличия, имеющих гораздо больше значения, чем это кажется большинству людей, и даже большинству физиков.
Фотоны, частицы и античастицы в ранней Вселенной. Она была заполнена бозонами и фермионами, а также всеми представимыми антифермионами
Первое — только у фермионов есть копии среди античастиц. Античастица для кварка — антикварк. Античастица электрона — позитрон, а у нейтрино есть антинейтрино. Бозоны, с другой стороны, являются античастицами других бозонов, и много бозонов является античастицей самими себе. Не существует такой вещи, как антибозон. Столкнуть фотон с другим фотоном? Z0 с другой Z0? Это то же самое, с точки зрения взаимодействия материи и антиматерии, что и аннигиляция электрона и позитрона.
Бозон — такой, например, как фотон — может быть античастицей сам себе, но фермионы и антифермионы отличаются (как электрон и позитрон)
Из фермионов можно создавать композитные частицы: два верхних кварка и один нижний дают протон (фермион), один верхний и два нижних дают нейтрон (феримон). Из-за особенностей работы спина, если взять нечётное число фермионов и связать их вместе, то новая, композитная частица будет вести себя, как фермион. Именно поэтому существуют протоны и антипротоны, и поэтому нейтрон отличается от антинейтрона. А частицы, состоящие из чётного количества фермионов, например комбинация кварк-антикварк (известная, как мезон), ведёт себя, как бозон. Нейтральный пион ?0 сам себе является античастицей.
Причина проста: каждый из этих фермионов представляет собой частицу со спином ±1/2. Если сложить две частицы вместе, вы получите объект со спином -1, 0, или +1, то есть целым (а следовательно, это бозон). Если сложить три, вы получите спин -3/2, -1/2, +1/2, или +3/2, то есть, фермион. Так что разница в частицах и античастицах довольно большая. Но есть и второе различие, возможно, ещё более важное.
Энергетические уровни для наиболее низких возможных энергий в нейтральном атоме кислорода. Поскольку электроны — это фермионы, а не бозоны, все они не могут существовать на первом уровне, даже при сколь угодно низких температурах
Принцип запрета Паули применим только к фермионам, но не к бозонам. Он постулирует, что в любой квантовой системе два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. У бозонов таких ограничений нет. Если взять ядро атома и начать добавлять к нему электроны, первый электрон перейдёт в основное состояние — состояние с самой низкой энергией. Поскольку это частица со спином 1/2, состояние его спина может быть либо +1/2, либо -1/2. Если вы добавите к атому второй электрон, его спин окажется в противоположном состоянии, и он тоже перейдёт в состояние с наименьшей энергией. Но если вы добавите ещё электронов, они не смогут перейти в основное состояние, и им нужно будет обосноваться на следующем энергетическом уровне.
Энергетические уровни и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям атома водорода.
Именно поэтому периодическая система элементов Менделеева устроена таким образом. Поэтому у атомов разные свойства, они связываются вместе в такие сложные комбинации, и поэтому каждый элемент таблицы уникален: конфигурация электронов в каждом атоме отличается от всех остальных. То, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, приводит к появлению определённых физических и химических свойств элементов, к огромному количеству молекулярных комбинаций и к фундаментальным связям, благодаря которым возможны сложные химические реакции и жизнь.
То, как атомы связываются и формируют молекулы, включая органические, возможно только благодаря принципу запрета Паули
С другой стороны, в одно и то же квантовое состояние можно привести сколько угодно бозонов! Это позволяет создавать особые бозонные состояния, известные, как конденсаты Бозе-Эйнштейна. Охлаждая бозоны так сильно, что они переходят в состояние с наименьшей энергией, вы можете разместить любое их количество в одном месте. Гелий (состоящий из чётного числа фермионов, поэтому ведущий себя, как бозон), при низких температурах превращается в супержидкость — результат конденсации Бозе-Эйнштейна. На сегодняшний день в такое состояние сумели привести газы, молекулы, квазичастицы, и даже фотоны. В этой области до сих пор ведутся активные исследования.
Атомы рубидия до (слева), во время (в середине) и после (справа) перехода в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. На графике показано, как атомы конденсируются из менее плотных красных, жёлтых и зелёных областей в более плотные голубые и белые
То, что электроны — это фермионы, приводит к тому, что карликовые звёзды не коллапсируют под собственным весом; то, что нейтроны — фермионы, приводит к тому, что коллапс нейтронных звёзд останавливается в какой-то момент. Принцип запрета Паули, отвечающий за атомную структуру, удерживает плотнейшие из физических объектов от превращения в чёрные дыры.
Белый карлик, нейтронная звезда и даже кварковая звезда всё равно состоят из фермионов.
Когда материя или антиматерия аннигилируют или распадаются, они разогревают систему до температур, зависящих от того, подчиняются ли частицы статистике Ферми-Дирака (для фермионов) или Бозе-Эйнштейна (для бозонов). Поэтому сегодня температура реликтового излучения равна 2,73 К, а фонового нейтринного излучения — на 0,8 К меньше: это произошло благодаря аннигиляции и этим статистикам, работавшим в ранней Вселенной.
Подгонка количества нейтрино для совпадения с данными по флуктуации реликтового излучения. Данные совпадают с нейтринным излучением, энергетически эквивалентная температура которого равна 1,95 К — много меньше, чем у фотонов реликтового излучения
То, что у фермионов спин полуцелый, а у бозонов — целый, интересен сам по себе, но гораздо более интересно то, что два этих класса частиц подчиняются различным квантовым правилам. На фундаментальном уровне эти различия делают возможным наше существование. Это неплохой результат для такой мелочи, как разница в ±1/2 во внутреннем угловом моменте. Но обширные последствия казалось бы чисто квантового правила иллюстрируют, насколько важным может быть спин, и разница между бозонами и фермионами.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Комментарии (54)
old_gamer
23.11.2017 18:02Что-то на этот раз совсем как-то непонятно ничего… Очень хотел бы понять, вот, например, атом водорода имеет целый спин, соответственно, он — бозон. Если добавить ему нейтрон, будет дейтерий — фермион. Понять бы, к каким различиям это ведет. Или, скажем, атом гелия — бозон и ион гелия — фермион. То есть несколько атомов гелия могут существовать в одном квантовом состоянии, а несколько ионов — нет?
BkmzSpb
23.11.2017 22:37Гелий-3 имеет полуцелый спин, он фермион. Гелий-4 имеет целый спин, он ведет себя как бозон и является сверхтекучим, в отличие от Гелия-3.
Zenitchik
23.11.2017 23:27Википедия врёт, что Гелий-3 тоже становится сверхтекучим.
Кроме того, в подсчёте спинов электроны по идее тоже должны учитываться, т.е. все нейтральные атомы должны быть бозонами.Browning
24.11.2017 09:15Zenitchik
24.11.2017 12:31Покупать книжку я точно не буду (что ж вы все так любите ссылки на мобильные версии давать?..)
Я уже позже понял, что ошибся. Протоны электронами игнорируем — их сумма всегда чётная. Спин атома в целом должен зависеть от количества нейтронов.erwins22
24.11.2017 16:12Если гелий 4 бозон сам по себе, то гелий 3 объединяются 2 атома в пару(аналогично объединению электронов в сверхпроводимости), а у пары спин целый.
trogg
24.11.2017 20:19Нет, количество нейтронов не равно количеству протонов. Бозоном или фермионом будет атом/ион зависит от изотопа.
Zenitchik
23.11.2017 18:15А может какой-нибудь более подходящий источник об этом спросить? Справочник по физике, например?
erwins22
23.11.2017 18:54фонового нейтринного излучения — на 0,8 К меньше
это теория или померили? не представляю себе как.
OKyJIucT
23.11.2017 18:59Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны.
Разумеется, из тех, что нам известны на сегодня.
black_semargl
24.11.2017 13:35Ну разве что если найдут частицы с иррациональным спином.
OKyJIucT
24.11.2017 13:40Я не исключаю возможности, что и фундаментальные частицы на деле состоят из более фундаментальных частиц. Плюс так называемые темная материя и темная энергия тоже из чего-то состоят.
Очень надеюсь, что при моей жизни эта тайна откроется, а то и помирать жалко как то, не узнав всех тайн мироздания))
Victor_koly
24.11.2017 20:41Спин — собственное число оператора. Оператор (матрица) с иррациональным собственным числом выглядит не так красиво:)
З.Ы. А вот комплексным быть не может, ведь оператор эрмитовый должен быть.
SergeyMax
24.11.2017 20:19Нет, не «разумеется». Данные типы частиц разделены по признаку спина «целый/нецелый», поэтому любые другие частицы, в том числе и допустим неизвестные сегодня, в любом случае можно будет разделить на эти два типа.
Zenitchik
24.11.2017 20:36«целый/нецелый»
Целый и полуцелый.
Что оставляет простор для каких-нибудь третьцелых.black_semargl
25.11.2017 17:55Третьцелый и вообще любая рациональная дробь — хоть и странно, но вполне впишется в волновые функции.
А вот частица со спином «пи» ни в какие ворота…Victor_koly
25.11.2017 18:42В целом и «корень 2» не совсем хорошо будет — иррациональное собственное значение у квадрата спина выйдет.
OKyJIucT
24.11.2017 23:45Напомнили об известном списке категоричных и неверных заявлений—Камни с неба падать не могут, им там неоткуда взяться! (Парижская Академия Наук о метеоритах, 1772 г)
—В будущем компьютеры будут весить не более 1.5 тонн. (Журнал Popular Mechanics, 1949 г)
—Думаю, что на мировом рынке мы найдем спрос для пяти компьютеров. (Томас Уотсон – директор компании IBM, 1943 г)
—Я изъездил эту страну вдоль и поперек, общался с умнейшими людьми и я могу вам ручаться в том, что обработка данных является лишь причудой, мода на которую продержится не более года. (редактор издательства Prentice Hall, 1957 г)
—Но, что… может быть полезного в этой штуке? (вопрос на обсуждении создания микрочипа в Advanced Computing Systems Division of IBM, 1968 г)
—Ни у кого не может возникнуть необходимость иметь компьютер в своем доме. (Кен Олсон – основатель и президент корпорации Digital Equipment Corp., 1977 г)
—Такое устройство, как телефон имеет слишком много недостатков, чтобы рассматривать его, как средство связи. Поэтому, считаю, что данное изобретение не имеет никакой ценности. (из обсуждений в компании Western Union в 1876 г)
—Эта музыкальная коробка без проводов не может иметь никакой коммерческой ценности. Кто будет оплачивать послания, не предназначенные для какой-то частной персоны? (деловые партнеры Давида Сарнова в ответ на его предложение инвестировать проект создания радио, 1920 г)
—Концепция интересна и хорошо оформлена. Но, для того, чтобы идея начала работать, она должна содержать здравый смысл. (профессура Yale University в ответ на предложение Фреда Смита об организации сервиса быстрой доставки; Фред Смит станет основателем службы доставки Federal Express Corp.)
—Да, кого, к чертям, интересуют разговоры актеров? (реакция Warner Brothers на использование звука в кинематографе, 1927 г)
—Нам не нравится их звук и, вообще, гитарные квартеты – это вчерашний день. (Decca Recording Co., отклонившая запись альбома группы The Beatles, в 1962 г)
—Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны! (Лорд Кельвин – физик, президент Королевского Научного Общества – в 1895 г)
—Профессор Годдард не понимает отношений между действием и реакцией, ему не известно, что для реакции нужны условия более подходящие, чем вакуум. Похоже, профессор испытывает острый недостаток в элементарных знаниях, которые преподаются еще в средней школе. (передовая статья в газете New York Times, посвященная революционной работе Роберта Годдарда на тему создания ракеты, 1921 г)
—Бурение земли в поисках нефти? Вы имеете в виду, что надо сверлить землю для того, чтобы найти нефть? Вы сошли с ума. (ответ на проект Эдвина Дрейка в 1859 г)
—Самолеты – интересные игрушки, но никакой военной ценности они не представляют. (маршал Фердинанд Фош, профессор стратегии в Академии Генштаба Франции)
—Все, что могло быть изобретено, уже изобрели. (Чарльз Дьюэлл – специальный уполномоченный американского Бюро Патентов, 1899 г)
—Теория Луи Пастера о микробах – смешная фантазия. (Пьер Паше – профессор психологии университета Тулузы, 1872 г)
—Живот, грудь и мозг всегда будут закрыты для вторжения мудрого и гуманного хирурга. (Сэр Джон Эрик Эриксен – британский врач, назначенный главным хирургом королевы Виктории, 1873 г)
—640 килобайт памяти должно быть достаточно для каждого. (Билл Гейтс, 1981 г)
—100 миллионов долларов – слишком большая цена за Microsoft. (IBM, 1982 г)
Victor_koly
23.11.2017 22:01Энергетические уровни для наиболее низких возможных энергий
По идее такое заполнение по магнитному числу, как на картинке справа — возможно. Просто является энергетически менее выгодным (для системы из 4 электронов в целом).
DrZlodberg
24.11.2017 09:34Охлаждая бозоны так сильно, что они переходят в состояние с наименьшей энергией, вы можете разместить любое их количество в одном месте
Из них можно собрать чёрную дыру?black_semargl
24.11.2017 13:38Само собой. Только они всё равно распадутся быстрее чем соберёшь нужное количество — максимальное время жизни 10?8 секунды.
DrZlodberg
24.11.2017 14:04А как же
Гелий (состоящий из чётного числа фермионов, поэтому ведущий себя, как бозон), при низких температурах превращается в супержидкость
?black_semargl
24.11.2017 19:22Атом гелия только снаружи выглядит как бозон, а стоит атомы чуть посильнее сдавить, чтобы их электроны начали пересекаться — и уже никакой сверхтекучести.
Так что плотность получается примерно как у обычного вещества. А чтобы ЧД из обычного вещества получилась — его нужно охрененно много.
И с нейтронами в нейтронной звезде та же фигня.
CaptainFlint
apiksDen
«Бозоны, с другой стороны, являются античастицами других бозонов… Не существует такой вещи, как антибозон» Вот вообще не понял, базон античастица другого базона — это не антибазон?
CaptainFlint
Залез в оригинал статьи, там сформулировано чуть-чуть по-другому. Утверждается, что есть фермионы и соответствующие антифермионы, но для бозонов есть только бозоны, иногда являющиеся античастицами к другим бозонам, а иногда к самим себе. Но я тоже так и не уловил, в чём заключается разница между бозоном-античастицей и «антибозоном», которого якобы не существует.
Victor_koly
Все же есть дубыльВэ-плюс и дубыльВэ-минус бозон. По причине сохранения электрического, лептонного и барионного заряда обязаны распадаться на противоположные наборы частиц.
CaptainFlint
В чём разница между дубыльВэ-минус бозоном и античастицей к дубыльВэ-плюс бозону?
Victor_koly
Антибозонов не существует в таком смысле, как Вы предлагали перед этим.
В распаде нейтрона участвует отрицательный бозон (если я не напутал логику), а протона (сигма+ и т. д.) — положительный.
По поводу первого Вашего комментария. Конечно для частицы d-anti-s частица s-anti-d будет античастицей и обе имеют целый спин (значит бозоны). Можем вмещать их на одинаковые энергетические уровни до тех пор, пока не придется учитывать силу взаимодействия отдельных кварков. До этого момента получаем кучу нейтральных каонов как смесь в равном соотношении волновых функций d-anti-s и s-anti-d.
CaptainFlint
А каково тогда вообще определение античастицы? Я всегда считал, что это просто частица с противоположным электрическим зарядом и некоторыми другими числами и одинаковыми массой/спином/чем-то-ещё. Та же Википедия спокойно называет W+/W–-бозоны и ?+/?–-мезоны античастицами. Я понимаю, что она не всегда может быть права, но пока так и не могу уловить смысла термина по Вашей (и Итановской) трактовке.
Victor_koly
W+/W– и пи+/пи– точно являются античастицами. Противоположный электрический, барионный и лептонный заряды. Просто лептонный у них конечно 0, барионного у бозонов нет, а у мезонов он скомпенсирован (1/3-1/3=0).
На у античастицы отличаются только тем, что они почему-то не выжили в глобальном масштабе.
Zenitchik
А частицы выжили? Вы сейчас, на минуточку, говорите о нестабильных частицах, которых в глобальном масштабе практически нет.
И я бы решился утверждать, что пи+ и пи- встречаются во Вселенной с разной вероятностью.
Victor_koly
Я же сказал — барионный заряд у мезонов 0. Выживать им не выйдет, распадутся в мюон, электрон или электрон плюс пи-0 мезон, пару фотонов или нейтрино с антинейтрино.
Так что максимум, что можно сказать — это что от пи-минус мезонов следов останется больше (просто каждый породит 1 электрон согласно сохранению электрического заряда).
CaptainFlint
Спасибо за разъяснения.
Zenitchik
Вас, видимо, названия путают
Практически так и есть. Античастица — это если заменить все содержащиеся в ней кварки на аналогичные антикварки, а антикварки — на кварки.
Но бывают частицы, которые называются одной и той же буквой, хотя, не являются античастицами друг-другу. Сигма-гиперионы, например
ru.wikipedia.org/?oldid=88620261
CaptainFlint
Victor_koly
Если у сигма-ноль распад а лямбда-ноль, значит это семейство — что-то вроде дельта-резонансов.
george_vernin
Для некоторых нейтральных частиц античастица тождественно совпадает с частицей. Это, в частности, фотон, нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон, гравитон. Такие частицы называют истинно нейтральными. Подчеркнём, что электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами. Это, в частности, касается нейтрона, нейтрино, нейтрального каона и т. д.
Все известные истинно нейтральные частицы — бозоны, однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы).
DrZlodberg
Я правильно понимаю, что при столкновении фотона и фотона они аннилигируют с образованием… фотона и фотона, но движущихся перпендикулярно прежнему направлению?
black_semargl
или любой другой пары частица-античестица.
Как правило электрон-позитрон. Хотя может и нейтрино-антинейтрино, их всё равно не зарегистрировать.
DrZlodberg
С электрон-позитрон это очевидно. А вот с фотоном — не очень.
Просто школьное (кажется) определение — это та же частица с противоположным зарядом. В случае с нейтральными частицами — накладка. Как и с нейтроном, например. Но у него, как я понял, всё-таки есть отдельная анти-частица. А вот анти-сам-себе, это немного странно.
Всё-таки, чем тогда отличаются обычные и анти-частицы?
black_semargl
Ну нейтрон состоит из кварков, антинейтрон из антикварков, поэтому разные.
А анти-сам-себе — это скорей так говорить принято, вот как пара электрон-позитрон тоже может не сразу аннигилировать. Иногда даже в химические реакции вступить успевает. В том числе и с таким же анти-сам-себе-атомом, а совсем не аннигилируют с ним при встрече.
А столкновение двух фотонов — просто удар, выделение энергии…
Victor_koly
Вот например хотят построить «фотонный коллайдер» — производить одиночные бозоны Хиггса. Есть теоретические расчеты сечения этого процесса, нужна энергия фотонов по 1/2 энергии Хиггса.
Но Вы ничего хорошего не получите при столкновении фотонов с энергией 1 ГэВ и 250 эВ.
black_semargl
Бозоны — это пара кварк-антикварк, поэтому их нельзя отнести ни к веществу, ни к антивеществу.
Если кварки в нём одного типа, то обратной частицы нет. Если разного, то понятное дело есть. Но опять же ни та не другая не вещество и не антивещество. Просто зеркальные друг другу.
Zenitchik
А осмысленна ли вообще классификация частиц на «вещество» и «антивещество»? Я привык думать, что у каждой частицы (кроме самоаннигилирующих) есть античастица. Всего навсего.
black_semargl
Судя по тому что видимая нами часть вселенной состоит исключительно из вещества — какая-то фундаментальная разница между ним и антивеществом есть… а не просто зеркальное отражение.
Zenitchik
Из протонов, нейтронов и электронов. Вы не находите, что это слишком малая часть номенклатуры элементарных частиц, чтобы говорить о фундаментальной разнице?
black_semargl
Я согласен, но какая-то причина асимметрии ведь есть…