Ύλη και δύναμη:Κατανόηση των δύο θεμελιωδών τύπων σωματιδίων

Κάθε στοιχειώδες σωματίδιο εμπίπτει σε μία από τις δύο κατηγορίες. Τα κολλεκτιβιστικά μποζόνια αντιπροσωπεύουν τις δυνάμεις που μας κινούν ενώ τα ατομικιστικά φερμιόνια εμποδίζουν τα άτομά μας να καταρρεύσουν.

Τα φερμιόνια πρέπει να μείνουν για τον εαυτό τους, ενώ τα μποζόνια μπορούν να παίζουν μαζί στο ίδιο μέρος.

Η Irene Pérez για το Quanta Magazine

Εισαγωγή

Κάτω από τον πλούτο του κόσμου μας κρύβεται μια παρθένα απλότητα. Τα πάντα αποτελούνται από ένα σύνολο μόλις 17 θεμελιωδών σωματιδίων και αυτά τα σωματίδια, αν και μπορεί να διαφέρουν κατά μάζα ή φορτίο, υπάρχουν μόνο σε δύο βασικούς τύπους. Κάθε ένα είναι είτε ένα «μποζόνιο» ή ένα «φερμιόνιο».

Ο φυσικός Paul Dirac επινόησε και τους δύο όρους σε μια ομιλία του το 1945, ονομάζοντας τα δύο βασίλεια των σωματιδίων από τους φυσικούς που βοήθησαν να διαλευκανθούν οι ιδιότητές τους:Satyendra Nath Bose και Enrico Fermi.

Το 1924, ο Bose εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο της Ντάκα, σε αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως Μπαγκλαντές. Νωρίτερα, γύρω στο 1900, ο Max Planck είχε προτείνει έναν νόμο για το πόσο φως από κάθε χρώμα εκπέμπει ένα θερμό αντικείμενο. (Η αντίληψη του Πλανκ ότι αυτό το φως έρχεται σε διακριτά πακέτα, ή «κβάντα», οδήγησε τους φυσικούς στην πορεία προς την κβαντομηχανική.) Ο Μποζ βρήκε μια ισχυρότερη μαθηματική παραγωγή του νόμου του Πλανκ. Έγραψε στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ζητώντας βοήθεια για την υποβολή του αποτελέσματος σε γερμανικό περιοδικό και στη συνέχεια συνεργάστηκε με τον Αϊνστάιν για να εμπλουτίσει την ιδέα.

Τα μαθηματικά του Bose και του Einstein περιέγραψαν μια κατάσταση όπου πολλά σωματίδια μπορεί να είναι απολύτως όμοια:όχι απλώς να έχουν το ίδιο φορτίο, μάζα και ενέργεια, αλλά ακόμη και να υπάρχουν στο ίδιο μέρος την ίδια στιγμή. Τα φωτόνια, τα σωματίδια του φωτός, συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Ένα λέιζερ, για παράδειγμα, αποτελείται από πολλά φωτόνια συγχρονισμένα στο ίδιο μήκος κύματος, μαζί σε μια ενιαία δέσμη. Αυτά τα σωματίδια ονομάζουμε τώρα μποζόνια.

Τα ίδια μαθηματικά θα αποδεικνύονταν ότι λειτουργούν για περισσότερα από φωτόνια. Οτιδήποτε βιώνουμε ως δύναμη είναι μια συλλογική προσπάθεια από αμέτρητα πολλά μποζόνια. Τα φωτόνια συνδυάζονται για να ασκήσουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, ενώ άλλα μποζόνια δημιουργούν τις δυνάμεις που συνδέουν τον πυρήνα μεταξύ τους και προκαλούν ραδιενεργό διάσπαση. Οι φυσικοί αναμένουν ότι τα υποθετικά «γκραβιτόνια» που παράγουν βαρύτητα θα είναι επίσης μποζόνια. Και πέρα από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ορισμένα σύνθετα σωματίδια - για παράδειγμα, άτομα ηλίου - συμπεριφέρονται επίσης σαν μποζόνια.

Αλλά τα μαθηματικά του Bose και του Einstein δεν λειτούργησαν για το ηλεκτρόνιο.

Mark Belan/Quanta Magazine

Όταν οι φυσικοί προσπάθησαν να αναλύσουν τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο, βρήκαν περίεργες αντιφάσεις. Για παράδειγμα, φάνηκε να υπάρχει μια ασυνέπεια μεταξύ του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα και του τρόπου με τον οποίο συγκρατούν τη θερμότητα. Δουλεύοντας ανεξάρτητα το 1926, ο Fermi και ο Dirac κατάλαβαν και οι δύο τι πήγαινε στραβά:Τα ηλεκτρόνια δεν είναι μποζόνια. Σε αντίθεση με τα φωτόνια, τα ίδια ηλεκτρόνια δεν μπορούν να συσσωρευτούν στην ίδια θέση. Αντίθετα, κάθε ηλεκτρόνιο πρέπει να διαφέρει από τους συντρόφους του κατά τουλάχιστον έναν τρόπο:διαφορετική θέση, ενέργεια ή προσανατολισμό. Τέτοια σωματίδια τώρα ονομάζουμε φερμιόνια. (Ένας άλλος φυσικός, ο Πασκουάλ Τζόρνταν, είχε την ίδια ιδέα ένα χρόνο νωρίτερα, αλλά δεν το δημοσίευσε εγκαίρως για να μοιραστεί τα εύσημα.)

Τα φερμιόνια καθιστούν δυνατή την πολυπλοκότητα της ύλης. Δεν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια που μπορούν να καταλάβουν την ίδια θέση σε ένα άτομο, επομένως όσο περισσότερα ηλεκτρόνια έχει ένα άτομο, τόσο περισσότερο απλώνονται σε ξεχωριστά στρώματα, προκαλώντας τις διαφορετικές χημικές ιδιότητες του υδρογόνου, του ηλίου, του χρυσού, του αργύρου και όλων των άλλων στοιχείων του περιοδικού πίνακα.

Πέρα από τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους ατομικούς πυρήνες είναι επίσης φερμιόνια. Το ίδιο και τα νετρίνα. Και τα φερμιόνια δεν χρειάζεται να είναι θεμελιώδη σωματίδια. στα υλικά, υπάρχουν ομάδες ηλεκτρονίων που υπακούουν συλλογικά στα ίδια μαθηματικά αποκλεισμού, όπως οι διαμορφώσεις που είναι γνωστές ως φερμιόνια Majorana που θα μπορούσαν κάποια μέρα να τροφοδοτήσουν τους κβαντικούς υπολογιστές.

Ο Satyendra Nath Bose (αριστερά) ήταν ένας ελάχιστα γνωστός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ντάκα όταν επινόησε μια θεωρία που περιγράφει τα κολεκτιβιστικά σωματίδια που τώρα ονομάζονται γι 'αυτόν - μποζόνια. Ο Enrico Fermi (δεξιά) ανέπτυξε αργότερα μια θεωρία σωματιδίων που διατηρούν πάντα την ανεξαρτησία τους, που τώρα ονομάζονται φερμιόνια.

Δημόσιος Τομέας

Η διαφορά μεταξύ του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα φερμιόνια και τα μποζόνια σε ομάδες συμβαδίζει με μια δεύτερη διάκριση μεταξύ τους:το σπιν τους, ένα μέτρο για το πώς αλλάζουν όταν περιστρέφονται. Τα μποζόνια έχουν ακέραια ποσά σπιν. (Τα φωτόνια έχουν μία μονάδα, για παράδειγμα, και τα γκραβιτόνια θα έχουν δύο.) Αυτό σημαίνει ότι όταν περιστρέφετε ένα μποζόνιο σε πλήρη κύκλο, θα βρείτε το ίδιο σωματίδιο με το οποίο ξεκινήσατε, με τα ίδια μαθηματικά χαρακτηριστικά. Τα φερμιόνια, εν τω μεταξύ, έχουν μισές ακέραιες ποσότητες σπιν - για παράδειγμα, ½ για τα ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει ότι μετά από μια πλήρη περιστροφή, ένα ηλεκτρόνιο δεν μένει το ίδιο. Η μαθηματική του αναπαράσταση αποκτά πρόσημο μείον και πρέπει να το γυρίσετε για δεύτερη φορά για να το επαναφέρετε όπως ήταν.

Αυτά τα δύο καθοριστικά χαρακτηριστικά αρχικά φάνηκαν άσχετα μεταξύ τους. Αλλά το 1939, ο Markus Fierz απέδειξε ότι και τα δύο είναι συνέπειες της μαθηματικής δομής της κβαντικής θεωρίας, μια σύνδεση που τώρα είναι γνωστή ως θεώρημα spin-statistics. (Ο σύμβουλός του, Βόλφγκανγκ Πάουλι, δημοσίευσε μια ανανεωμένη εκδοχή της απόδειξης το επόμενο έτος.)

Η απόδειξη είναι αρκετά αφηρημένη, ακόμη και για τους φυσικούς, και είναι περίφημα δύσκολο να εξηγηθεί διαισθητικά. Αλλά το αποτέλεσμα είναι ότι εάν προσπαθήσετε να γράψετε εξισώσεις για ένα σωματίδιο spin-½ που ακολουθεί τα μαθηματικά του Bose και του Einstein ή ένα σωματίδιο spin-1 που υπακούει στις στατιστικές Fermi-Dirac, αυτά τα θεωρητικά σωματίδια θα παραβιάσουν ιερές φυσικές αρχές, όπως η αιτιότητα.

Ο αριθμός των βασιλείων των σωματιδίων εξαρτάται από τον αριθμό των διαστάσεων. Το θεώρημα της στατιστικής σπιν αποδεικνύει ότι τα μποζόνια και τα φερμιόνια είναι οι μόνες δύο πιθανότητες στον τρισδιάστατο κόσμο μας (εκτός αν ξανασκεφτείτε τι κάνει δύο σωματίδια πανομοιότυπα). Αυτό έχει να κάνει με το γεγονός ότι στο 3D, ένα σωματίδιο μπορεί να στραφεί σε μια σπείρα, περνώντας κάτω από το παλιό του μονοπάτι. Οι σπείρες δεν είναι δυνατές σε μια επιφάνεια 2D, όπου δεν υπάρχει η έννοια του "κάτω". Ως αποτέλεσμα, νέοι τύποι σωματιδίων που ονομάζονται οποιονδήποτε μπορούν να υπάρχουν σε 2D, με τη συμπεριφορά να βρίσκεται κάπου μεταξύ των μποζονίων και των φερμιονίων. Και σε μια διάσταση, η διάκριση καταρρέει εντελώς. Σε έναν τέτοιο κόσμο σε ένα σύρμα, τα μποζόνια και τα φερμιόνια είναι σαν δύο διαφορετικές εξισώσεις με την ίδια λύση:τα δύο βασίλεια είναι κρυφά ένα.

Το ενημερωτικό δελτίο Quanta

Λάβετε highlights από τις πιο σημαντικές ειδήσεις που παραδίδονται στα εισερχόμενά σας στο email σας

Επίσης στη Φυσική

Σχόλιο σε αυτό το άρθρο

Επόμενο άρθρο

Είναι τα Μαθηματικά κυρίως χάος ή κυρίως τάξη;