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第三章 微观世界学 109

（二）玻色子

粒子物理学已经证明电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的

同一种相互作用，称为“弱电相互作用”。有很多粒子物理学家猜想在更早期宇宙
更高能量（普朗克尺度）时很可能这四种相互作用全都是统一的，这种理论称为“大

统一理论”。但是因为加速器能够达到的能量相对普朗克尺度仍然非常的低，所以
很难验证，而大统一理论主要的发展方向是超弦理论。

量子是一个物理学概念，不是实物，它是指一个事物的最小单位。研究发现，
微观世界的本质特征就是量子化，而在量子的世界中，费米子和玻色子则是最基础
的存在。

在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，粒子具备“自旋”特性，
自旋有大有小，但其数值是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或

半整数倍。因此，科学家将不同自旋的粒子分成了两种，自旋的数值是整数的，叫
“玻色子”；自旋的数值是半整数的，叫“费米子”。光子就是玻色子，电子则是
费米子。两者在性质上有很大差别，主要体现在泡利不相容原理上。泡利不相容原

理就是指两个费米子不能占据同一个状态，也就是说玻色子喜欢待在一起，有亲和
力，而费米子无法待在一起，互为排斥。

比如，电子就是费米子，它们之间相互排斥，所以不同的电子在原子核外的时
候不能都挤在同一个轨道上。而光子是玻色子，所以我们可以通过“挤压”形成特

别狭窄的激光。总的来说，费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。
自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。

引力相互作用：引力子（graviton）；
电磁相互作用：光子（photon）；
弱相互作用（使原子衰变的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有 3 种；

强相互作用（夸克之间的相互作用）：胶子（gluon）。
除了光子以外还有以下几种玻色子。

1. 介子
介子是由两个正反夸克组成的粒子，它在质子和中子之间传递强相互作用。质

子是由两个上夸克和一个下夸克组成的粒子，介子、质子的共同点是它们都是由夸
克组成的。胶子是夸克与夸克之间作用的媒介，由于胶子的作用，多个夸克才能组