ईथन से पूछें: फ़र्म और बोसॉन में क्या अंतर है?

ऊपरी बाएं कोने में संकेतित द्रव्यमान के साथ मानक मॉडल के कण। तीन बाएं स्तंभों को फ़र्मेशन द्वारा कब्जा कर लिया गया है, दो दाएं स्तंभ बोसॉन हैं

पूरे ब्रह्मांड में, केवल दो प्रकार के मूलभूत कण हैं: फरमान और बोसॉन। प्रत्येक कण, आपके लिए ज्ञात सामान्य गुणों के अलावा, जैसे कि द्रव्यमान और विद्युत आवेश, इसकी मूल मात्रा में कोणीय गति है, जिसे स्पिन के रूप में जाना जाता है। आधे-पूर्णांक वाले स्पिन के साथ कण (± 1/2, 2 3/2, half 5/2, ..) फ़र्म के रूप में जाने जाते हैं। पूर्णांक के साथ कण (0, ± 1, .. 2, ..) बोसॉन हैं। ब्रह्मांड में, कोई अन्य कण, मौलिक या समग्र नहीं हैं। लेकिन यह क्यों मायने रखता है? हमारा पाठक पूछता है:

क्या आप फरमान और बोसॉन के बीच अंतर बता सकते हैं? पूरे स्पिन से आधे-पूर्णांक में जाने पर क्या परिवर्तन होता है?

पहली नज़र में, ऐसे गुणों द्वारा श्रेणियों में कणों का विभाजन यादृच्छिक लगता है।


स्टैंडर्ड मॉडल में ज्ञात कण। ये सभी मौलिक कण हैं, जो सीधे खोजे जाते हैं। एक गुरुत्वाकर्षण पर, जबकि अभी भी अनदेखा, स्पिन 2 के बराबर होगा।

सब के बाद, एक कण एक कण है, है ना? बेशक, क्वार्कों और बोसोन की तुलना में क्वार्क (मजबूत बातचीत के अधीन) और लेप्टन (इसके अधीन नहीं) के बीच अधिक अंतर है? बेशक, पदार्थ और एंटीमैटर के बीच का अंतर स्पिन से अधिक है? क्या द्रव्यमान की उपस्थिति या अनुपस्थिति कोणीय गति के रूप में तुच्छ से कुछ अधिक है?

यह पता चला है कि कई छोटे, महत्वपूर्ण, मतभेद हैं जो स्पिन से संबंधित हैं, लेकिन दो गंभीर अंतर हैं जो कि ज्यादातर लोगों के विचार से बहुत अधिक महत्वपूर्ण हैं, और यहां तक ​​कि अधिकांश भौतिक विज्ञानी भी।


प्रारंभिक ब्रह्मांड में फोटॉन, कण और एंटीपार्टिकल्स। यह बोसोन और फ़र्मेशन के साथ-साथ सभी कल्पनाशील एंटिफर्मेशन से भरा था

सबसे पहले, केवल फर्मेंट्स में एंटीपार्टिकल्स के बीच प्रतियां होती हैं। क्वार्क के लिए एंटीपार्टिकल - एंटीकार्क। एक इलेक्ट्रॉन का एंटीपार्टिकल एक पॉज़िट्रॉन है, जबकि एक न्यूट्रिनो में एक एंटीन्यूट्रिनो है। दूसरी ओर बोसॉन, अन्य बोसॉन के एंटीपार्टिकल्स हैं, और कई बोसॉन खुद के एंटीपार्टिकल्स हैं। इसमें एंटीसोन जैसी कोई चीज नहीं होती है। एक फोटॉन को दूसरे फोटोन के साथ मिलाएं? Z ⁰ एक और Z ^{0 के साथ} ? यह एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन के विनाश के रूप में, पदार्थ और एंटीमैटर की बातचीत के संदर्भ में समान है।


एक बोसॉन - जैसे, उदाहरण के लिए, एक फोटॉन - अपने लिए एक एंटीपार्टिकल हो सकता है, लेकिन फ़र्म और एंटीफ़र्मेशन अलग होते हैं (जैसे एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन)

कंपोजिट कणों को फर्मेंट से बनाया जा सकता है: दो ऊपरी क्वार्क और एक लोअर एक प्रोटॉन (फर्मियन) देते हैं, एक ऊपरी और दो निचले एक न्यूट्रॉन (फर्मियन) देते हैं। स्पिन की प्रकृति के कारण, यदि आप विषम संख्या में फ़र्म लेते हैं और उन्हें एक साथ बांधते हैं, तो नया, संयुक्त कण एक फ़र्मियन की तरह व्यवहार करेगा। यही कारण है कि प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन मौजूद हैं, और इसलिए न्यूट्रॉन एंटीन्यूट्रोन से अलग है। और कणों में समान संख्या में फ़र्मेंस होते हैं, जैसे क्वार्क-एंटिकार्क संयोजन (एक मेसन के रूप में जाना जाता है), बोसॉन की तरह व्यवहार करता है। न्यूट्रल पियोन is ⁰ अपने आप में एक एंटीपार्टिकल है।

कारण सरल है: इनमें से प्रत्येक फ़र्मियन each 1/2 के स्पिन के साथ एक कण है। यदि आप दो कणों को एक साथ जोड़ते हैं, तो आपको -1, 0, या +1 के स्पिन के साथ एक ऑब्जेक्ट मिलता है, अर्थात, एक पूर्णांक (और इसलिए, यह एक बोसान है)। यदि आप तीन जोड़ते हैं, तो आपको -3/2, -1/2, +1/2, या +3/2 की एक स्पिन मिलती है, यानी एक फर्मियन। तो कणों और एंटीपार्टिकल्स में अंतर काफी बड़ा है। लेकिन एक दूसरा अंतर है, शायद और भी महत्वपूर्ण है।


एक तटस्थ ऑक्सीजन परमाणु में सबसे कम संभव ऊर्जा के लिए ऊर्जा का स्तर। चूँकि इलेक्ट्रॉन फ़र्म हैं, बोसॉन नहीं, ये सभी पहले स्तर पर मौजूद नहीं हो सकते, यहाँ तक कि मनमाने ढंग से कम तापमान पर भी

पाबंदी का सिद्धांत केवल प्रतिबंधों पर लागू होता है, न कि बोसॉन पर। उन्होंने कहा कि किसी भी क्वांटम सिस्टम में दो फरमेंट्स एक ही क्वांटम स्टेट पर कब्जा नहीं कर सकते। बोसोन पर इस तरह का कोई प्रतिबंध नहीं है। यदि आप एक परमाणु के नाभिक को लेते हैं और इसमें इलेक्ट्रॉनों को जोड़ना शुरू करते हैं, तो पहला इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था में जाएगा - सबसे कम ऊर्जा वाला राज्य। चूंकि यह 1/2 के स्पिन के साथ एक कण है, इसलिए इसकी स्पिन की स्थिति +1/2 या -1/2 हो सकती है। यदि आप परमाणु में एक दूसरा इलेक्ट्रॉन जोड़ते हैं, तो इसकी स्पिन विपरीत स्थिति में होगी, और यह सबसे कम ऊर्जा वाले राज्य में भी जाएगी। लेकिन अगर आप अधिक इलेक्ट्रॉनों को जोड़ते हैं, तो वे जमीनी स्थिति में नहीं जा पाएंगे, और उन्हें अगले ऊर्जा स्तर पर बसने की आवश्यकता होगी।


हाइड्रोजन परमाणु के विभिन्न राज्यों के अनुरूप इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर और तरंग कार्य।

इसीलिए मेंडेलीव के तत्वों की आवधिक प्रणाली को इस प्रकार व्यवस्थित किया गया है। इसलिए, परमाणुओं में अलग-अलग गुण होते हैं, वे इस तरह के जटिल संयोजनों में एक साथ बंधते हैं, और इसलिए तालिका का प्रत्येक तत्व अद्वितीय है: प्रत्येक परमाणु में इलेक्ट्रॉनों का विन्यास अन्य सभी से अलग है। तथ्य यह है कि दो fermions एक ही क्वांटम स्थिति में नहीं हो सकते हैं तत्वों की कुछ भौतिक और रासायनिक गुणों की उपस्थिति, आणविक संयोजनों की एक बड़ी संख्या और मूलभूत बांडों के लिए जिसके कारण जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाएं और जीवन संभव है।


जिस तरह से कार्बनिक पदार्थों सहित अणुओं को बांधता और बनाता है, वह केवल निषेध के पाउली सिद्धांत के लिए संभव है

दूसरी ओर, जितने बोसोन आपको पसंद हैं उतने ही क्वांटम अवस्था में लाए जा सकते हैं! यह आपको विशेष बोसोनिक राज्य बनाने की अनुमति देता है, जिसे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट के रूप में जाना जाता है। बोसोन को ठंडा करने से वे कम से कम ऊर्जा के साथ एक राज्य में जाते हैं, आप उनमें से किसी भी संख्या को एक स्थान पर रख सकते हैं। कम तापमान पर हीलियम (एक सम संख्या में, इसलिए बोसान की तरह व्यवहार करना) सुपरफ्लूड में बदल जाता है - बोस-आइंस्टीन संक्षेपण का परिणाम। आज तक, गैसों, अणुओं, क्वासिपर्टिकल्स, और यहां तक ​​कि फोटोन भी ऐसी स्थिति लाने में कामयाब रहे हैं। इस क्षेत्र में अभी भी सक्रिय अनुसंधान चल रहा है।


रुबिडियम परमाणुओं से पहले (बाएं), दौरान (बीच में) और बाद में (दाएं) बोस-आइंस्टीन को घनीभूत अवस्था में संक्रमण। ग्राफ दिखाता है कि कैसे परमाणु कम घने लाल, पीले और हरे क्षेत्रों से घने नीले और सफेद तक घनीभूत होते हैं

तथ्य यह है कि इलेक्ट्रॉनों fermions हैं तथ्य यह है कि बौना सितारों को अपने स्वयं के वजन के तहत पतन नहीं होता है; तथ्य यह है कि न्यूट्रॉन फ़र्मियन हैं, इस तथ्य की ओर जाता है कि न्यूट्रॉन सितारों का पतन कुछ बिंदु पर बंद हो जाता है। पॉलि के निषेध का सिद्धांत, जो परमाणु संरचना के लिए जिम्मेदार है, भौतिक वस्तुओं के ब्लैक होल बनने से सबसे अधिक सुरक्षित रखता है।


सफेद बौना, न्यूट्रॉन स्टार, और यहां तक ​​कि क्वार्क स्टार, सभी समान हैं।

जब कोई पदार्थ या एंटीमैटर विलोपन या क्षय करता है, तो वे तापमान को सिस्टम को इस आधार पर गर्म करते हैं कि क्या कण फर्मी-डीरेक आँकड़ों (फर्मों के लिए) या बोस-आइंस्टीन (बोसोन के लिए) का पालन करते हैं। इसलिए, आज राहत विकिरण का तापमान 2.73 K है, और पृष्ठभूमि न्यूट्रिनो विकिरण 0.8 K कम है: यह विनाश और इन आंकड़ों के कारण था, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड में काम करते थे।


सीएमबी के उतार-चढ़ाव पर डेटा से मिलान करने के लिए न्यूट्रिनो की संख्या को समायोजित करना। डेटा न्यूट्रिनो विकिरण के साथ मेल खाता है, जिसका ऊर्जा-समतुल्य तापमान 1.95 K है - जो CMB फोटॉन की तुलना में बहुत कम है

तथ्य यह है कि स्पिन अर्ध-अभिन्न अंग में है और बोसॉन में पूरी स्पिन अपने आप में दिलचस्प है, लेकिन यह अधिक दिलचस्प है कि कणों के ये दो वर्ग अलग-अलग क्वांटम नियमों का पालन करते हैं। एक बुनियादी स्तर पर, ये अंतर हमारे अस्तित्व को संभव बनाते हैं। इस तरह के trifles के लिए यह एक अच्छा परिणाम है क्योंकि आंतरिक कोणीय गति में for 1/2 का अंतर। लेकिन एक प्रतीत होता है कि विशुद्ध रूप से क्वांटम नियम के विशाल परिणाम यह दर्शाते हैं कि स्पिन कितना महत्वपूर्ण हो सकता है, और बोसोन और फ़र्मियन के बीच का अंतर।

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकोनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।