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什么是全同粒子

2024-02-11科学

俗话说「世界上没有两片完全相同的叶子」,这意味着在经典物理世界里没有两个完全相同的物体。但在量子物理世界里却可以找到两个完全相同的粒子,相同到不可区分,这就是全同粒子。

全‬ 同粒子的概念是在量子物理中提出的。它是指粒子的内禀属性完全相同,即质量、电荷、自旋等完全相同,这样的粒子在微观粒子体系中不可区分。举例,我们同时测量两个电子,只知道两个位置处分别有一个电子,但不知道哪个电子在哪里,因为二者不可区分。

全同粒子可以是基本粒子,如电子、光子等,也可以是由基本粒子构成的各种复合粒子中,例如质子、中子、α粒子等。

在经典物理中,粒子的属性参量(质量、大小、形状等)是连续变化的,谈不上两个粒子精准全同。另外,对于经典粒子我们可以追踪其运动轨迹,通过追踪轨迹标定粒子,把不同粒子区分开来。

但量子物理中没有轨道的概念,粒子状态是量子化的,不能追踪其轨迹对粒子进行标定区分。

由于全同粒子具有不可区分性,在全同粒子体系中,相互交换任意两个全同粒子都不会引起整个体系物理状态的改变——这叫全同性原理。

当交换两个全同粒子,微观状态不变,也就是粒子分布几率密度不变,用公式表示

这个公式有两个解

玻色子满足第一个式子(没有负号),称之为玻色子具有交换对称性。

费米子满足第二个式子(有负号),称之为费米子具有交换反对称性。

由第二个式子可以推出费米子遵从的泡利不相容原理。

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