费米子和玻色子哪个多?

费米子和玻色子哪个多?

我们知道,自然界的物质形态有很多种。譬如说实物、场、暗物质、暗能量等。其中,暗物质、暗能量占据了整个宇宙的约 96%。我们日常所提到的物质,严格地讲应该叫实物――即由原子、分子构成的物质。场是传递相互作用的物质,譬如引力场、电场、磁场等。

之所以将它们统称为「物质」,是因为它们都能相互传递能量和动量。这是判断一个物理实体能否归为物质的主要依据。

假设没有场的话,要想解释这个世界的性质,就不可避免地涉及超距作用。显然,这是违背因果律的。根据狭义相对论,能量/信息传播的速度不可能超过光速。

具体地讲:假如电场不存在,则两个电荷之间的相互作用就是瞬时的,进而违背因果律。此外,相互作用的本质,就是物质之间能量、动量转移的过程。能量的转移需要时间,它是一个连续的过程。

下面,我们从一个生活中的案例说起:你每天清晨起来,睁开眼看到的就是一系列物体――牙刷,牙膏,漱口杯、水等等。这些物体都是由自旋为半奇数(波函数交换反对称)的费米子――电子、质子、中子构成的,它们就是构成原子的基本粒子。而当你举起牙刷,让它在你口中上下运动的时候,你手指表面的原子与牙刷表面的原子紧密接触会产生分子斥力,也即电磁相互作用力 ,这个力将改变牙刷的运动状态。而力是由自旋为整数(波函数交换对称)的规范玻色子(光子)与物质粒子(电子)相互作用的宏观表现。光子充当了传递分子间电磁相互作用的媒介。

生活中,你也会注意到你自己和你身边的物体都很稳定,不像电灯泡在打开时发光,熄灭时却不亮了。这是因为构成物体的费米子之间服从

,它们相互之间保持着适当的平均距离,因而十分稳固不会塌陷。当然,这也是元素周期表存在的原因。与费米子相对的玻色子,如构成光的基本粒子――光子,却能连绵不断地布满所有能够占据的空间(静质量为 0),并可以在灯泡发光时大量产生,原因是光子数在相互作用的过程中(准确地说是拉矢量中存在导致光子数不守恒的项)不是守恒的,而费米子数目却是守恒的,因此其表现得并没有费米子那么稳定。

结论:由于费米子数目守恒,因此目前宇宙中原子的总数也基本守恒(≈ 10^80)。而玻色子数目可以不守恒,在与实物粒子相互作用过程中可以大量产生或湮灭。因此宇宙中费米子与玻色子的总数目没有可比性。