在粒子物理學(xué)中，玻色子是一種遵循玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)則的粒子。這些玻色子還有一個(gè)包含整數(shù)值的量子自旋，比如0、1、-1、-2、2等(相比之下，還有其他類型的粒子，稱為費(fèi)米子，具有半整數(shù)自旋，比如1/2、-1/2、-3/2，等等)。
玻色子有什么特別之處?
玻色子有時(shí)被稱為力粒子，因?yàn)椴Ｉ涌刂浦锢砹Φ南嗷プ饔?，比如電磁力，甚至可能?span id="3zde8ci" class="wpcom_tag_link">引力本身。
玻色子這個(gè)名字來(lái)自于印度物理學(xué)家薩蒂延德拉·納特·玻色的姓氏，他是20世紀(jì)早期一位杰出的物理學(xué)家，曾與愛(ài)因斯坦合作開(kāi)發(fā)了一種名為玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的分析方法。為了充分理解普朗克定律(馬克斯·普朗克在黑體輻射問(wèn)題上的工作得出的熱力學(xué)平衡方程)，玻色在1924年的一篇論文中首次提出了這種方法，試圖分析光子的行為。他把這篇論文寄給了愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦使它得以發(fā)表。然后將玻色的推理擴(kuò)展到光子之外，還適用于物質(zhì)粒子。
玻色子-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的最引人注目的影響之一是預(yù)測(cè)玻色子可以與其他玻色子重疊并共存。另一方面，費(fèi)米子無(wú)法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冏裱堇幌嗳菰?化學(xué)家主要關(guān)注的是泡利不相容原理如何影響電子在原子核周?chē)壍郎系男袨?。正因?yàn)槿绱耍庾幼兂杉す馐强赡艿?，一些物質(zhì)能夠形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的奇異態(tài)。
基本的玻色子
根據(jù)量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，存在許多基本玻色子，它們不是由更小的粒子組成的。這包括基本規(guī)范玻色子，它們是調(diào)節(jié)基本物理力的粒子(引力除外，我們馬上就會(huì)講到)。這四個(gè)規(guī)范玻色子的自旋都是1，并且都已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)觀察到:
- 光子-被稱為光的粒子，光子攜帶所有的電磁能，并作為規(guī)范玻色子中介電磁相互作用的力量。
- 膠子——膠子介導(dǎo)強(qiáng)核力的相互作用，強(qiáng)核力將夸克結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子，也將質(zhì)子和中子結(jié)合在原子核內(nèi)。
- W玻色子-參與調(diào)停弱核力的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)玻色子之一。
- Z玻色子-調(diào)停弱核力的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)玻色子之一。
除了上述，還有其他被預(yù)測(cè)的基本玻色子，但尚未得到明確的實(shí)驗(yàn)證實(shí):
- 希格斯玻色子-根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，希格斯玻色子是產(chǎn)生所有質(zhì)量的粒子。2012年7月4日，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的科學(xué)家們宣布，他們有充分的理由相信他們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子存在的證據(jù)。為了更好地了解這種粒子的確切性質(zhì)，進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行中。據(jù)預(yù)測(cè)，這種粒子的量子自旋值為0，這就是為什么它被歸類為玻色子。
- 引力子-引力子是一種理論粒子，還沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到。由于其他基本力——電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——都是用調(diào)節(jié)作用力的標(biāo)準(zhǔn)玻色子來(lái)解釋的，因此嘗試用同樣的機(jī)制來(lái)解釋引力是很自然的。由此產(chǎn)生的理論粒子是引力子，據(jù)預(yù)測(cè)它的量子自旋值為2。
- 玻色子超伙伴-在超對(duì)稱理論下，每個(gè)費(fèi)米子都有一個(gè)迄今為止未被探測(cè)到的玻色子對(duì)應(yīng)體。既然有12個(gè)基本費(fèi)米子，這將表明——如果超對(duì)稱性是真的——還有另外12個(gè)基本玻色子尚未被探測(cè)到，這可能是因?yàn)樗鼈兏叨炔环€(wěn)定，并且已經(jīng)衰變?yōu)槠渌问健?/li>
復(fù)合玻色子
當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)粒子結(jié)合在一起形成一個(gè)整數(shù)自旋粒子時(shí)，就形成了一些玻色子，例如:
- 介子-當(dāng)兩個(gè)夸克結(jié)合在一起時(shí)形成介子。由于夸克是費(fèi)米子，自旋為半整數(shù)，如果兩個(gè)夸克結(jié)合在一起，那么最終粒子的自旋(即每個(gè)自旋之和)將為整數(shù)，從而成為玻色子。
- 氦-4原子:一個(gè)氦-4原子包含2個(gè)質(zhì)子、2個(gè)中子和2個(gè)電子……如果你把所有的自旋加起來(lái)，你每次都會(huì)得到一個(gè)整數(shù)。氦-4特別值得注意，因?yàn)楫?dāng)冷卻到超低溫時(shí)，它會(huì)變成超流體，使其成為玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的一個(gè)杰出例子。
