玻色子

玻色子

百科名片

在微观世界，有一类粒子称为玻色子，如光子、粒子、氢原子等，它们具有整数

自旋（0，1，„„），它们的能量状态只能取不连续的量子态，但允许多个玻色

子占有同一种状态。

目录

简介

规范玻色子

玻色子的类型

粒子的自旋

玻色子和费米子

希格斯玻色子

中间矢量玻色子

编辑本段简介

玻色子

玻色子（boson)，得名于印度物理学家玻色.。玻色子 (boson) 是依随玻

[1]

色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。不遵守泡利不相容原理。在低温时

可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。 符合玻色－爱因斯坦统计：由全同玻色子

组成的孤立系统，处于热平衡时，分布在能级εi的粒子数为，Ni＝gi/

（e^(α+βεi）-1） 。α为拉格朗日乘子、β＝1/（kT），由体系温度，

粒子密度和粒子质量决定。εi为能级i的能量，gi为能级的简并度。

遵从玻色-爱因斯坦统计的微观粒子。玻色子的自旋为0或整数，例如

光子、π介子等。由玻色子或偶数个费米子组成的复合粒子的自旋也是0

或整数 ，因而它们也是玻色子。

编辑本段规范玻色子

量子场论表明，粒子之间的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递

的，即基本相互作用都是由媒介粒子传递的，这类媒介粒子统称为规范玻

色子。传递引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力场量子，它是自旋为

2的零质量粒子。希格斯粒子和引力子，是理论上被预言而在实验中尚未得

到存在的直接证据的两个粒子。

编辑本段玻色子的类型

希格斯玻色子假想图

胶子 - 强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种，胶子是传递夸克之间

色相互作用的媒介粒子，是“色场”的量子。两个不同色状态的夸克通过

胶子紧密地结合在一起，所以胶子必定是双色的。

光子 - 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种 。g和中间玻

色子(w+、w-及z0 )分别是电磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在电弱统

一理论中，这四种粒子都是电弱作用的场量子，它们都是零质量的粒子。

但是由于对称性的破缺，只有一种媒介子(g光子)保持了零质量，而其他三

种获得了巨大的质量。致使对称性破缺的机制，称为希格斯(higgs)机制。

所以理论上确信，必定还存在一种被称为希格斯粒子的粒子。这些基本粒

子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传

递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世

界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、

磁矩和自旋。

玻色子-结构图

(右图绘制:张嘉年)

编辑本段粒子的自旋

这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同种粒子王国分成

截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一

样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是一跳一跳地旋

转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两

大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；

而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。

这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费

米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同

一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子

中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、

介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

编辑本段玻色子和费米子

玻色子

粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一类是费

米子，得名于意大利物理学家费米，另一类是玻色子，得名于印度物理学

家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动

量（粗略地讲，就是半径与动量的乘积）相联系的固有性质。量子力学所

揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取普朗克常

数的整数倍（玻色子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、

质子等）。

费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。前者遵循的费米-狄拉克统

计，其中一个显著和特点，就是1925年瑞士科学家泡利发现的“泡利不相

容原理”，即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、

动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子。这就像电影院里的座位，每座

只能容纳一个人。而玻色子则完全不同，一个量子态可以容纳无穷多个玻

色子。因此，也只有玻色子才可能出现玻色－爱因斯坦凝聚现象。

例如，锂的两种同位素锂6和锂7分别为费米子和玻色子。图片分别

显示在810、510和240nk时锂6和锂7原子气和原子云照片。我们可以看

到，锂7（左），随着温度的降低所占的尺寸变小，也就是发生了凝聚，而

锂6（右）的尺寸则保持稳定，不发生凝聚。这是因为泡利不相容原理的限

制，使两个费米子不可能在同一时间占据同一个空间。正因如此，白矮星

最终只能在引力作用下坍塌到一个极限尺寸而不再进一步缩小。

编辑本段希格斯玻色子

质子高速对撞后产生希格斯玻色子的瞬间

人们早已发现，自然界中物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4

种力：即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用

力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题后，人们开始尝试建立一个统一

的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。

经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物

理学理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、

轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了

一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无

法解释物质质量的来源。为了修补缺陷，希格斯提出了希格斯场的存在，

并进而预言了希格斯玻色子的存在。他假设希格斯玻色子是物质的质量之

源，是电子和夸克等形成质量的基础。其它粒子在希格斯玻色子构成的海

洋中游弋，受其作用尔产生惯性，最终才有了质量。标准模型预言了62种

粒子的存在，并基本上都已被实验多证实，希格斯玻色子是最后一种未被

发现的基本粒子。由此可见，希格斯玻色子是大自然中本身就有的，并不

是制造出来的。有了希格斯玻色子，统一理论就完全成立了，将有更多的

世间万象因此而被认知，科学的世界也就毫无疑问的更加完美。有人因此

将希格斯玻色子比做粒子物理学领域的“圣杯”。

编辑本段中间矢量玻色子

大型强子对撞机生成的第一张图

intermediate vector boson

传递弱相互作用的矢量粒子。早在 20世纪 40 年代曾提出弱作用通过

中间玻色子W±传递的思想。60年代电弱统一理论提出除了带电的中间玻

色子W±外，还可能存在中性的中间玻色子Z0。1973年实验上观测到中性

弱流存在，是对电弱统一理论的重要支持。理论上预言中间玻色子质量为

80吉电子伏特（GeV）左右，寿命短于10-17秒。1983年先后观测到W±粒

子和Z0粒子, W±粒子质量为80.8GeV,Z0粒子的质量为92.9GeV。根据后

来实验测得的数据，得到 W±粒子和 Z0 粒子的质量m和衰变宽度 Γ 的

实验值分别为mw＝ 80.3GeV，mz＝91.163GeV；Γw＝2.20GeV，Γz ＝

2.537GeV 。根据衰变宽度可算出它们的寿命为10-25秒量级。