جزيئات النموذج القياسي ، مع تحديد الكتل في الزاوية اليسرى العليا. تحتل الفرميونات ثلاثة أعمدة يسارية ، وعمودان يمينان عبارة عن بوزوناتفي جميع أنحاء الكون ، هناك نوعان فقط من الجسيمات الأساسية: الفرميونات والبوزونات. كل جسيم ، بالإضافة إلى الخصائص المعتادة المعروفة لك ، مثل الكتلة والشحنة الكهربائية ، لديه كمية متأصلة من الزخم الزاوي ، المعروف باسم الدوران. تُعرف الجسيمات ذات السبينات نصف الصحيحة (± 1/2 ، ± 3/2 ، ± 5/2 ، ..) بالفرميونات. الجسيمات ذات السبينات الصحيحة (0 ، ± 1 ، ± 2 ، ..) هي بوزونات. لا توجد جسيمات أخرى ، أساسية أو مركبة ، في الكون. ولكن لماذا يهم؟ يسأل قارئنا:
هل يمكنك تفسير الفرق بين الفرميونات والبوزونات؟ ما الذي يتغير عند الانتقال من دوران كامل إلى نصف عدد صحيح؟
للوهلة الأولى ، يبدو تقسيم الجسيمات إلى فئات حسب هذه الخصائص عشوائيًا.
الجسيمات المعروفة في النموذج القياسي. كل هذه جسيمات أساسية ، تم اكتشافها مباشرة. عند الجاذبية ، بينما لا يزال غير مكتشف ، سيكون الدوران 2.بعد كل شيء ، الجسيم هو جسيم ، أليس كذلك؟ بالطبع ، هناك فرق بين الكواركات (التي تخضع للتفاعل القوي) واللبتونات (غير الخاضعة لها) أكثر من الفرميونات والبوزونات؟ بالطبع ، الفرق بين المادة والمادة المضادة يعني أكثر من الدوران؟ هل وجود أو غياب الكتلة أكثر من شيء تافه مثل الزخم الزاوي؟
اتضح أن هناك العديد من الاختلافات الصغيرة الهامة ذات الصلة بالدوران ، ولكن هناك اختلافان خطيران لهما أهمية أكبر بكثير مما يعتقد معظم الناس ، وحتى معظم الفيزيائيين.
الفوتونات والجسيمات والجسيمات المضادة في أوائل الكون. كانت مليئة بالبوزونات والفرميونات ، وكذلك جميع الأدوية المضادة التي يمكن تخيلهاأولا ، فقط الفرميونات لديها نسخ بين الجسيمات المضادة. الجسيمات المضادة للكوارك - antiquark. الجسيم المضاد للإلكترون هو بوزيترون ، في حين أن النيوترينو يحتوي على مضاد للنترينو. البوزونات ، من ناحية أخرى ، هي جزيئات من البوزونات الأخرى ، والعديد من البوزونات هي جسيمات مضادة في حد ذاتها. لا يوجد شيء اسمه antiboson. تصطدم فوتون مع فوتون آخر؟ Z
0 مع Z
0 آخر؟ هذا هو نفسه ، من حيث تفاعل المادة والمادة المضادة ، مثل إبادة إلكترون وبوزيترون.
يمكن أن يكون البوزون - مثل الفوتون - جسيمًا مضادًا لنفسه ، لكن الفرميونات والإشكال المضاد مختلفة (مثل الإلكترون والبوزيترون)يمكن إنشاء الجسيمات المركبة من الفرميونات: الكواركات العلوية والسفلى تعطي البروتون (الفرميون) ، الجزء العلوي والسفلي السفلي يعطي النيوترون (الفرميون). نظرًا لطبيعة الدوران ، إذا كنت تأخذ عددًا فرديًا من الفرميونات وربطها معًا ، فإن الجسيم الجديد المركب سيتصرف مثل الفرميون. هذا هو السبب في وجود البروتونات والبروتونات المضادة ، وبالتالي يختلف النيوترون عن antineutron. والجسيمات التي تتكون من عدد زوجي من الفرميونات ، مثل تركيبة الكوارك - antiquark (المعروفة باسم الميزون) ، تتصرف مثل البوزون. البيون المحايد π
0 هو نفسه مضاد للجسيمات.
والسبب بسيط: كل من هذه الفرميونات عبارة عن جسيم مع دوران قدره ± 1/2. إذا قمت بإضافة جزأين معًا ، فستحصل على كائن مع دوران -1 أو 0 أو +1 ، أي عدد صحيح (وبالتالي ، هو بوزون). إذا أضفت ثلاثة ، ستحصل على دوران قدره -3/2 أو -1/2 أو +1/2 أو +3/2 ، أي فرميون. لذا فإن الفرق بين الجسيمات والجسيمات المضادة كبير جدًا. ولكن هناك فرق ثانٍ ، وربما أكثر أهمية.
مستويات الطاقة لأدنى طاقات ممكنة في ذرة أكسجين محايدة. بما أن الإلكترونات هي فرميونات ، وليست بوزونات ، فلا يمكن أن توجد جميعها في المستوى الأول ، حتى في درجات حرارة منخفضة بشكل تعسفيينطبق
مبدأ حظر باولي فقط على الفرميونات ، وليس على البوزونات. يفترض أنه في أي نظام كمومي ، لا يمكن أن تحتل فرميتان نفس الحالة الكمية. البوزونات ليس لديها مثل هذه القيود. إذا أخذت نواة ذرة وبدأت في إضافة إلكترونات إليها ، فسوف يدخل الإلكترون الأول في الحالة الأرضية - الحالة بأقل طاقة. نظرًا لأن هذا الجسيم مع دوران قدره 1/2 ، يمكن أن تكون حالة دورانه إما +1/2 أو -1/2. إذا أضفت إلكترونًا ثانيًا إلى الذرة ، فسيكون دورانها في الحالة المعاكسة ، وسوف يدخل أيضًا في الحالة بأقل طاقة. ولكن إذا أضفت المزيد من الإلكترونات ، فلن يتمكنوا من الدخول في حالة الأرض ، وسيحتاجون إلى الاستقرار عند مستوى الطاقة التالي.
مستويات الطاقة ووظائف الموجات للإلكترونات المقابلة للحالات المختلفة لذرة الهيدروجين.هذا هو السبب في ترتيب النظام الدوري لعناصر مندليف بهذه الطريقة. لذلك ، للذرات خصائص مختلفة ، فهي ترتبط ببعضها البعض في مجموعات معقدة ، وبالتالي فإن كل عنصر من عناصر الجدول فريد: تكوين الإلكترونات في كل ذرة يختلف عن كل العناصر الأخرى. حقيقة أن فرميونات لا يمكن أن تكون في نفس الحالة الكمية تؤدي إلى ظهور بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر ، إلى عدد كبير من التوليفات الجزيئية وإلى روابط أساسية بسبب التفاعلات الكيميائية المعقدة والحياة الممكنة.
الطريقة التي تربط بها الذرات الجزيئات وتشكلها ، بما في ذلك الجزيئات العضوية ، ممكنة فقط بفضل مبدأ حظر باوليمن ناحية أخرى ، يمكن إدخال العديد من البوزونات كما تريد في نفس الحالة الكمية! هذا يسمح لك بإنشاء حالات بوزونية خاصة ، تعرف باسم مكثفات Bose-Einstein. من خلال تبريد البوزونات كثيرًا بحيث تتحول إلى حالة بأقل طاقة ، يمكنك وضع أي عدد منها في مكان واحد. يتحول الهيليوم (الذي يتكون من عدد زوجي من الفرميونات ، وبالتالي تتصرف مثل البوزون) ، في درجات حرارة منخفضة ، إلى سائل فائق - نتيجة تكثيف بوز-آينشتاين. حتى الآن ، تمكنت الغازات والجزيئات وشبه الجزيئات وحتى الفوتونات من تحقيق مثل هذه الحالة. البحث النشط لا يزال جاريا في هذا المجال.
ذرات الروبيديوم قبل (يسار) وأثناء (في الوسط) وبعد (يمين) الانتقال إلى حالة مكثفات بوز-آينشتاين. يوضح الرسم البياني كيف تتكثف الذرات من مناطق حمراء وصفراء وخضراء أقل كثافة إلى أزرق وأبيض أكثر كثافةحقيقة أن الإلكترونات هي فرميونات تؤدي إلى حقيقة أن النجوم القزمة لا تنهار تحت ثقلها. حقيقة أن النيوترونات هي فرميونات تؤدي إلى حقيقة أن انهيار النجوم النيوترونية يتوقف عند نقطة ما. يحظر مبدأ حظر باولي ، المسؤول عن التركيب الذري ، كثافة الأجسام المادية من أن تصبح ثقوبًا سوداء.
القزم الأبيض ، النجم النيوتروني ، وحتى نجم الكوارك ، كلهم يتألفون من الفرميونات.عندما تمحى المادة أو المادة المضادة أو تتحلل ، فإنها تسخن النظام إلى درجات حرارة اعتمادًا على ما إذا كانت الجسيمات
تخضع لإحصاءات Fermi-Dirac (للفرميونات) أو
Bose-Einstein (للبوزونات). لذلك ، تبلغ درجة حرارة الإشعاع المرتقب اليوم 2.73 كلفن ، وإشعاع النيوترينو في الخلفية أقل بـ 0.8 كلفن: كان ذلك بسبب الإبادة وهذه الإحصائيات ، التي عملت في أوائل الكون.
تعديل عدد النيوترينوات لتتناسب مع البيانات الخاصة بتقلبات CMB. تتزامن البيانات مع إشعاع النيوترينو ، الذي تبلغ درجة حرارته المكافئة للطاقة 1.95 كلفن - أقل بكثير من الفوتونات CMBحقيقة أن اللف نصف نصف متكامل في الفرميونات والدوران بأكمله في البوزونات أمر مثير للاهتمام في حد ذاته ، ولكن الأكثر إثارة للاهتمام أن هاتين الفئتين من الجسيمات تخضعان لقواعد كمية مختلفة. على المستوى الأساسي ، تجعل هذه الاختلافات وجودنا ممكنًا. هذه نتيجة جيدة لمثل هذه التفاهات مثل فرق ± 1/2 في الزخم الزاوي الداخلي. لكن العواقب الهائلة لقاعدة كمية بحتة توضح مدى أهمية الدوران ، والفرق بين البوزونات والفرميونات.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].