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世界上有一模一样的粒子吗?

随机掷两枚硬币得到两面为正的可能性是1/4,因为所有可能发生的情形有四种。要是假定两枚硬币是完全一模一样的,无法区分,那么就只有“正正”、“反反”、“正反”三种情形。如果我们仍然假设每种情形发生的概率是一样的(尽管这不符合我们的日常经验),便会得出“两面为正的可能性是1/3”的结论。这个例子说明:无法区分的物体,与可以区分的多个物体所遵循的统计规律是不一样的。

宏观世界中,可能不存在完全一模一样的东西,但在微观世界里,却有一模一样全同粒子。所谓全同粒子就是质量、电荷、自旋等内在性质完全相同的粒子光子就是其中一种。有趣的是,物理学家玻色是因为一个“错误”而发现这个规律的:在一次有关光电效应的讲课中,玻色犯了一个类似“掷两枚硬币,得到正正概率为1/3”的那种错误。没想到这个错误却得出了与实验相符合的结论。玻色立刻意识到,这是一个“没错的错误”!他继续深入钻研下去,写出一篇《普朗克定律与光量子假说》的论文。然而,没有杂志愿意发表这篇论文,认为玻色犯了当时统计学家看来十分低级的错误。后来玻色将文章寄给爱因斯坦才得以发表。玻色的“错误”能得出正确结果,正是因为光子是不可区分的,爱因斯坦这个概念延伸到其他类似粒子,有了现在名为“玻色爱因斯坦统计规律”及超低温下得到的“玻色爱因斯坦凝聚”理论。

经典力学中,即使两个粒子全同,它们也仍然可以用不同的轨道而区分。在量子力学中由于不确定性原理,粒子没有固定的轨道,因而无法区分。微观粒子全同性来源于不同自旋及其导致的不同对称性。全同粒子其实有两种,一种是自旋为整数的玻色子,波函数是交换对称的;另一种是自旋为半整数的费米子,波函数是交换反对称的。光是由玻色子组成,许多光子可以处于相同的能级,所以才有了激光这种超强度的光束。而费米子遵循泡利不相容原理,两个或两个以上的费米子不能同处在相同的量子态上。比如原子中的电子就是分层排列的,因而才有了我们所熟悉的元素周期表。全同粒子行为也是量子力学最神秘的侧面之一。

【科学家】玻色

玻色(1894—1974),印度物理学家,曾出任印度国家科学院院长。1924年,年仅30岁的他在研究光子气体时,证明了普朗克公式可以从爱因斯坦气体模型导出。玻色认为在接近绝对零度条件下,从原子尺度上根本不可能去区分不同的原子,所有的原子都跌落到最低能级上,成为物质的第五态“玻色爱因斯坦凝聚态”。颇为遗憾的是,这个“诺贝尔奖”级别的理论造就了不止一名诺贝尔物理学奖得主,玻色却没能获得这份殊荣。