[科普中國]-費(fèi)米子

提出提出

1937年，隨著量子力學(xué)的興起，意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana提出可能存在一種新型的奇特粒子，即名為Majorana費(fèi)米子的粒子。經(jīng)過75年的追尋，研究人員終于發(fā)現(xiàn)了Majorana費(fèi)米子存在的一個可靠證據(jù)。而這一發(fā)現(xiàn)就如同找到了一把通往拓?fù)淞孔佑嬎銜r代的 “鑰匙”2。

早在Majorana之前，奧地利物理學(xué)家Erwin Schrodinger就提出了描寫量子行動和互動的方程式。英國物理學(xué)家Paul Dirac點(diǎn)綴了該方程式，使其能夠適用于費(fèi)米子，并且將量子力學(xué)和愛因斯坦的相對論結(jié)合在了一起。同時Dirac的研究還指出了反物質(zhì)的存在，并暗示某些粒子可以作為其本身的反粒子，如光子，但費(fèi)米子卻被認(rèn)為并非此類粒子。后來，Majorana延伸了Dirac方程式，認(rèn)為可能存在一種新的費(fèi)米子能夠作為其本身的反粒子，這種粒子就是Majorana費(fèi)米子。然而，Majorana費(fèi)米子始終披著神秘面紗，從20世紀(jì)到21世紀(jì)，全世界物理學(xué)家一直在努力尋找它。Majorana也曾提出，一種中微子——電中性粒子的些微聚集，可能剛好符合他提出的這種假設(shè)粒子的要求。

提出者恩利克·費(fèi)米2（意大利文原名：Enrico Fermi，1901年9月29日—1954年11月28日，享年53歲），美籍意大利著名物理學(xué)家、美國芝加哥大學(xué)物理學(xué)教授，1938年物理諾貝爾獎得主。

費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)小組在芝加哥大學(xué)Stagg Field 建立人類第一臺可控核反應(yīng)堆（芝加哥一號堆，Chicago Pile-1），人類從此邁入原子能時代，費(fèi)米也被譽(yù)為“原子能之父”。

費(fèi)米在理論和實(shí)驗方面都有第一流建樹，這在現(xiàn)代物理學(xué)家中是屈指可數(shù)的。100號化學(xué)元素鐨、美國芝加哥著名的費(fèi)米實(shí)驗室(Fermilab)、芝加哥大學(xué)的費(fèi)米研究院(The Enrico Fermi Institue)[5]都是為紀(jì)念他而命名的。費(fèi)米一生的最后幾年，主要從事高能物理的研究。1949年，揭示宇宙線中原粒子的加速機(jī)制，研究了π介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙線起源理論。1952年，發(fā)現(xiàn)了第一個強(qiáng)子共振──同位旋四重態(tài)。1949年，與楊振寧合作，提出基本粒子的第一個復(fù)合模型。

簡介費(fèi)米子(fermion)：費(fèi)米子是依隨費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計、角動量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子。

費(fèi)米子得名于意大利物理學(xué)家費(fèi)米，遵從泡利不相容原理3。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)理論，費(fèi)米子均是由一批基本費(fèi)米子組成的，而基本費(fèi)米子則不可能分解為更細(xì)小的粒子。

性質(zhì)基本費(fèi)米子分為 2 類：夸克和輕子。而這 2 類基本費(fèi)米子，又分為合共 24 種味 (flavour)：12 種夸克：包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、頂夸克 (t)，及它們對應(yīng)的 6 種反粒子。 12 種輕子：包括電子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ，及對應(yīng)的 6 種反粒子，包括 3 種反中微子。中子、質(zhì)子：都是由三種夸克組成，自旋為1/2?？淇耍荷峡淇?(u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲(càn)夸克 (c)、底夸克 (b)、頂夸克 (t)，及它們對應(yīng)的 6 種反粒子。

在一組由全同粒子組成的體系中，如果在體系的一個量子態(tài)(即由一套量子數(shù)所確定的微觀狀態(tài))上只容許容納一個粒子，這種粒子稱為費(fèi)米子。費(fèi)米子所遵循的統(tǒng)計法稱為費(fèi)米統(tǒng)計法。費(fèi)米統(tǒng)計法的分布函數(shù)為式中n(ε)為體系在溫度T達(dá)熱平衡時處于能態(tài)ε的粒子數(shù)；α為溫度和粒子總數(shù)的函數(shù)。奇數(shù)個核子組成的原子核(因為中子、質(zhì)子都是費(fèi)米子，故奇數(shù)個核子組成的原子核自旋是半整數(shù)。)由全同費(fèi)米子組成的孤立系統(tǒng)，處于熱平衡時，分布在能級εi的粒子數(shù)為，Ni=gi/（e^(α+βεi）+1） 。α為拉格朗日乘子、β=1/（kT），有體系溫度，粒子密度和粒子質(zhì)量決定。εi為能級i的能量，gi為能級的簡并度。

與玻色子的聯(lián)系根據(jù)自旋倍數(shù)的不同，科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大類。費(fèi)米子是像電子一樣的粒子，有半整數(shù)自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一樣的粒子，有整數(shù)自旋(如0，1，2等)。這種自旋差異使費(fèi)米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費(fèi)米子能有同樣的量子態(tài)：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處于同一地點(diǎn)；而玻色子卻能夠具有相同的特性4。

基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子)；而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

發(fā)展第六種物質(zhì)形態(tài)誕生

人類生存的世界，是一個物質(zhì)的世界。過去，人們只知道物質(zhì)有三態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。20世紀(jì)中期，科學(xué)家確認(rèn)物質(zhì)有第四態(tài)，即等離子體態(tài)(plasma)。1995年，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng)造出物質(zhì)的第五態(tài)，即“玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)”。為此，2001年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了負(fù)責(zé)這項研究的三位科學(xué)家。

2004年1月29日，又是這個聯(lián)合研究小組宣布，他們創(chuàng)造出物質(zhì)的第六種形態(tài)———費(fèi)米子凝聚態(tài)（fermioniccondensate）。消息傳出，國際物理學(xué)界為之振奮。專家們認(rèn)為，這一成果為人類認(rèn)識物質(zhì)世界打開了又一扇大門，具有重大的理論和實(shí)踐意義，將成為年度重大科技成果之一。

研究小組負(fù)責(zé)人德博拉·金30歲，2003年獲得美國麥克阿瑟基金會頒發(fā)的“大天才”獎。她表示，這項成果有助于下一代超導(dǎo)體的誕生。而下一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電能輸送、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計算機(jī)、地球物理勘探、生物磁學(xué)、高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。

形態(tài)的區(qū)別

通常所見的物質(zhì)是由分子、原子、離子構(gòu)成的。處于氣態(tài)的物質(zhì)，其分子與分子之間距離很遠(yuǎn)。而構(gòu)成液態(tài)物質(zhì)的分子彼此靠得很近，其密度要比氣態(tài)的大得多。固態(tài)物質(zhì)的構(gòu)成元素是以原子或離子狀態(tài)存在的，原子或離子一個挨著一個，相互牽拉，這就是固體比液體硬的原因。

被激發(fā)的電離氣體達(dá)到一定的電離度之后便處于導(dǎo)電狀態(tài)。電離氣體中每一帶電粒子的運(yùn)動都會影響到其周圍帶電粒子，同時也受到其他帶電粒子的約束。由于電離氣體內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)相等，這種氣體狀態(tài)被稱為等離子體態(tài)。

所謂玻色—愛因斯坦凝聚，是科學(xué)巨匠愛因斯坦在70年前預(yù)言的一種新物態(tài)。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)由成千上萬個具有單一量子態(tài)的超冷粒子的集合，其行為像一個超級大原子，由玻色子構(gòu)成。這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景。

創(chuàng)造

由于沒有任何兩個費(fèi)米子能擁有相同的量子態(tài)，費(fèi)米子的凝聚一直被認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)。物理學(xué)家找到了一個克服以上障礙的方法，他們將費(fèi)米子成對轉(zhuǎn)變成玻色子。費(fèi)米子對起到了玻色子的作用，所以可讓氣體突然冷凝至玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。這一研究為創(chuàng)造費(fèi)米子凝聚態(tài)鋪平了道路。

相關(guān)資料1937年，隨著量子力學(xué)的興起，意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana提出可能存在一種新型的奇特粒子，即名為Majorana費(fèi)米子的粒子。經(jīng)過75年的追尋，研究人員終于發(fā)現(xiàn)了Majorana費(fèi)米子存在的一個可靠證據(jù)。而這一發(fā)現(xiàn)就如同找到了一把通往拓?fù)淞孔佑嬎銜r代的 “鑰匙”。

早在Majorana之前，奧地利物理學(xué)家Erwin Schrodinger就提出了描寫量子行動和互動的方程式。英國物理學(xué)家Paul Dirac點(diǎn)綴了該方程式，使其能夠適用于費(fèi)米子，并且將量子力學(xué)和愛因斯坦的相對論結(jié)合在了一起。同時Dirac的研究還指出了反物質(zhì)的存在，并暗示某些粒子可以作為其本身的反粒子，如光子，但費(fèi)米子卻被認(rèn)為并非此類粒子。后來，Majorana延伸了Dirac方程式，認(rèn)為可能存在一種新的費(fèi)米子能夠作為其本身的反粒子，這種粒子就是Majorana費(fèi)米子。然而，Majorana費(fèi)米子始終披著神秘面紗，從20世紀(jì)到21世紀(jì)，全世界物理學(xué)家一直在努力尋找它。Majorana也曾提出，一種中微子——電中性粒子的些微聚集，可能剛好符合他提出的這種假設(shè)粒子的要求。

幾十年過去了，理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)調(diào)整大量電子的移動也許能夠模仿Majorana費(fèi)米子，而且，被稱為“準(zhǔn)粒子”的這些集體運(yùn)動的表現(xiàn)與同類型的基本粒子非常像。日前，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)物理學(xué)家Leo Kouwenhoven和同事發(fā)現(xiàn)了這些準(zhǔn)粒子的跡象，并將研究報告在線發(fā)表在《科學(xué)》上。

Kouwenhoven研究小組專門設(shè)計制造了實(shí)驗使用的晶體管。早前的理論假設(shè)就提到，如果其中一個電極是超導(dǎo)體，并且電流在磁場中流過一個特殊的半導(dǎo)體納米線，就可能促使電子在納米線的另一端表現(xiàn)得像Majorana費(fèi)米子一般。理論還進(jìn)一步指出，如果研究者試圖在磁場外從標(biāo)準(zhǔn)電極中輸送電流到超導(dǎo)電極，電子可能在超導(dǎo)體中反彈，因此超導(dǎo)電極中檢測不到電流。但是，如果磁場開啟，將能觸發(fā)Majorana費(fèi)米子的存在，這樣電子將會進(jìn)入超導(dǎo)體，并在電流中出現(xiàn)跳躍。Kouwenhoven研究小組則發(fā)現(xiàn)了這一電流尖峰。而且，當(dāng)研究人員改變誘發(fā)Majorana費(fèi)米子的任何一個條件時，例如關(guān)閉磁場，用金屬電極更換超導(dǎo)電極，第二個電極中的電流尖峰就會消失不見。

然而，這一結(jié)果并不能直接證實(shí)Majorana費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)。美國加利福尼亞大學(xué)理論物理學(xué)家Jason Alicea認(rèn)為，這個荷蘭研究小組為消除其他可能的解釋做出了非常引人矚目的工作。但是，他也指出，該研究并不能完全證實(shí)Majorana費(fèi)米子的存在。如果找到了這種“神奇粒子”，將使在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愠蔀榭赡?，人類也將進(jìn)入拓?fù)淞孔佑嬎銜r代。因為當(dāng)相互移動兩個Majorana費(fèi)米子時，它們能夠“記得”自己以前的位置，這一性質(zhì)可以用來編碼量子級別數(shù)據(jù)。5

其他相關(guān)理論四費(fèi)米子作用四費(fèi)米子作用理論6認(rèn)為，弱相互作用是弱流與弱流的相互作用。每一個弱流由正反兩個費(fèi)米子構(gòu)成，因此是四個費(fèi)米子的相互作用。

1、將不同粒子參與的弱相互作用統(tǒng)一為普適的相互作用。理論只需要一個普適的相互作用常數(shù)。

2、弱流是帶有手征的而不是手征變換不變的，解釋了弱相互作用對空間反演對稱性的破壞。

四費(fèi)米子相互作用后來被弱相互作用的規(guī)范理論取代。

重費(fèi)米子體系重費(fèi)米子體系6主要包括一些含有稀土金屬如鈰、鐿，錒族金屬元素如鈾的金屬化合物。這類化合物在低溫下表現(xiàn)為超導(dǎo)，反鐵磁或鐵磁，或者費(fèi)米液體的行為，但是有很高的比熱，通常認(rèn)為準(zhǔn)粒子有很高的質(zhì)量，因此叫做重費(fèi)米子材料。

費(fèi)米氣體模型費(fèi)米氣體模型用來描述由大量費(fèi)米子組成的系統(tǒng)7。

系統(tǒng)中的粒子認(rèn)為全同且不可分辨。費(fèi)米子的角動量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍，其本征波函數(shù)反對稱。導(dǎo)致在費(fèi)米子的某一個量子態(tài)上，最多只能容納一個粒子（假設(shè)可以容納多個的話，因為粒子的不可分辨性，調(diào)換任意兩個粒子的位置，波函數(shù)應(yīng)該不變，即Ψ = - Ψ，得Ψ=0，顯然矛盾了）。這就是費(fèi)米子所遵守的泡利不相容原理。

在不相容原理的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步按熱力學(xué)定律得出費(fèi)米的分布規(guī)律：費(fèi)米-狄拉克分布。（公式比較復(fù)雜，我就不打了）費(fèi)米氣體中的所有粒子服從該分布。金屬自由電子氣就是典型的費(fèi)米氣體。

費(fèi)米子氣體模型和理想氣體模型也有一定聯(lián)系，費(fèi)米氣遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計，而理想氣體模型中的粒子遵守麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計，在高溫和低密度條件下，能級數(shù)遠(yuǎn)多于粒子數(shù)，費(fèi)米-狄拉克分布過渡到經(jīng)典的麥克斯韋-玻耳茲曼分布。