Наука простыми словами — что такое бозоны и фермионы?

Бозоны и фермионы — фундаментальные частицы, отличающиеся квантовым спином. Бозоны с целым спином могут делиться квантовыми состояниями, тогда как фермионы с полуцелым спином — нет. Звучит сложно, но мы объясним все простыми словами.

Все элементарные частицы в природе делятся на две группы: бозоны и фермионы. Их различие заключается в том, как они "вращаются" с точки зрения квантовой механики — у них разные спины. Спин — это квантовая характеристика, связанная с угловым моментом частицы.

Так в чем же разница между бозонами и фермионами? У бозонов спин выражен целыми числами (0, 1, 2 и т. д.), тогда как у фермионов — полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2 и так далее). Спин также имеет направление, наподобие вращения по или против часовой стрелки. К бозонам относятся фотоны (свет), глюоны (переносчики силы в атомном ядре), бозон Хиггса и W- и Z-бозоны. Фермионы включают протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и кварки.

Элементарные частицы могут объединяться, формируя новые. Например, два нейтрона и два протона (оба с полуцелым спином) могут образовать ядро гелия, в котором спины объединяются, создавая целочисленный итоговый спин. Спин — это векторная величина, а значит, он имеет и направление, и величину, как обычное вращение: по часовой стрелке или против. В квантовой механике направления спина описываются как "вверх" или "вниз". У ядра гелия суммарный спин равен 0, что делает его бозоном.

Согласно принципу исключения Паули, два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно. Например, два электрона не могут быть в одном месте с одинаковыми квантовыми числами и направлением спина. Они могут существовать вместе, только если их спины направлены противоположно. Бозоны не подчиняются этому правилу, и потому они могут делить одно и то же квантовое состояние. Это объясняет феномен конденсата Бозе-Эйнштейна — состояние, в котором много бозонов могут находиться в одном квантовом состоянии, как это происходит в сверхтекучем гелии. Также считается, что такие конденсаты могут существовать в нейтронных звездах.

Основные факты о бозонах и фермионах:

  • Калибровочные бозоны (например, фотоны, глюоны и W- и Z-бозоны) служат "переносчиками силы" между частицами. Сюда также относится гипотетический гравитон — предполагаемый переносчик гравитации, который пока не был обнаружен.
  • Кварки — это фермионы, которые объединяются в составные частицы, такие как протоны и нейтроны.
  • Конденсаты бозонов могут демонстрировать сверхтекучесть, то есть способность течь без трения и потери энергии. Такие свойства могут быть у нейтронных звезд, где их ядра состоят из конденсатов бозонов.
  • Некоторые кварки и глюоны могут иметь предпочтительное направление спина благодаря сильному взаимодействию.

Читайте также

Физики создали трехмерный свет и получили квантовые состояния, ранее доступные только в теории

Физики создали трехмерный свет и получили квантовые состояния, ранее доступные только в теории

Животные могли населить Землю на 200 миллионов лет раньше

Животные могли населить Землю на 200 миллионов лет раньше

Ученые воссоздали лицо Homo sapiens возрастом 315 000 лет

Ученые воссоздали лицо Homo sapiens возрастом 315 000 лет

Ученые открыли сверхпроводник I типа, нарушающий симметрию обращения времени

Ученые открыли сверхпроводник I типа, нарушающий симметрию обращения времени

Сверхчувствительный сенсор сделает раннюю диагностику болезней Паркинсона и Альцгеймера

Сверхчувствительный сенсор сделает раннюю диагностику болезней Паркинсона и Альцгеймера

В Китае обнаружен динозавр микрорапторин, меняющий теорию эволюции полета

В Китае обнаружен динозавр микрорапторин, меняющий теорию эволюции полета

Геном человека оказался устойчив к микрогравитации — по крайней мере, в течение суток

Геном человека оказался устойчив к микрогравитации — по крайней мере, в течение суток

Иностранный язык дается взрослым труднее, чем детям? Не совсем так

Иностранный язык дается взрослым труднее, чем детям? Не совсем так

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Электромобили с самым большим запасом хода в 2026 году: от Lucid Air до Mercedes-Benz EQS

Электромобили с самым большим запасом хода в 2026 году: от Lucid Air до Mercedes-Benz EQS

Камера «Аквабласт» очищает детали без повреждения металла и резины

Камера «Аквабласт» очищает детали без повреждения металла и резины

Новый метод извлекает до 98% платины из старых автомобильных катализаторов

Новый метод извлекает до 98% платины из старых автомобильных катализаторов

Honor может выпустить необычный Wide Foldable в январе — с камерой на 200 Мп и батареей более 7000 мАч

Honor может выпустить необычный Wide Foldable в январе — с камерой на 200 Мп и батареей более 7000 мАч

vivo X Fold6 представят 6 октября — вместе с ним могут показать гарнитуру смешанной реальности

vivo X Fold6 представят 6 октября — вместе с ним могут показать гарнитуру смешанной реальности