宇宙是什么

10. 费米子与玻色子

  在量子力学中，还有一个关于粒子性质的原理。前文曾简单提过该原理，那就是用来区分费米子和玻色子的“泡利不相容原理”。

  如前文所述，对于电子、中微子、夸克等费米子，同一个位置上只能存在一个。然而，对于传递力的玻色子，同一个位置上却能存在任意多个。前文未说明这种差别的原因，其实这是由两者的“自旋”不同造成的。

  自旋是表示基本粒子旋转的物理量。基本粒子就像持续旋转的陀螺一样，几乎都有自旋 。基本粒子以外的粒子中则有例外，例如π介子就没有自旋，其原因在于构成π介子的夸克和反夸克的自旋互相抵消了。

  那么，费米子与玻色子的自旋有何不同呢？

  自旋原本指“角动量”。这是一个不常见的词，大家不妨想象一下下面的场景：用绳子一端绑住一块有分量的石头，然后以绳子的另一端为圆心，让石头旋转起来。此时，“绳子的长度×石头的重量×旋转速度”就等于角动量。角动量是守恒的（角动量守恒定律），骑行中的自行车不会倒下，原因就在于此。不过这方面的具体内容，本书就不谈了。

  在基本粒子的情况中，角动量是“离散的值”，具体来说就是……并且不存在“整数÷2”（准确来说，是包含普朗克常数的值的整数倍）以外的数值。自旋为半整数（奇数÷2）的基本粒子是费米子，自旋为整数（偶数÷2）的基本粒子是玻色子。

  自旋为整数的玻色子可以在同一个位置上存在任意多个，其原因非常不好理解，考虑到本书是面向大众的科普读物，我就不在这里赘述了。总之，大家只要了解基本粒子具有这样的性质就足够了。除此之外，量子力学还揭示了基本粒子的一些法则（主要是守恒定律），我会在必要的时候再讲解相关内容。

  至此，我们简单介绍了相对论和量子力学。使用这些理论（例如可以用能量来测定时间和距离等），可以很方便地解释基本粒子的世界。下面，我将介绍融合了狭义相对论和量子力学，进而又与电磁学实现统一的“量子电动力学”。