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粒子为什么有全同性

来源:网络 作者:佚名 时间:04-11 手机版

全同粒子的存在是客观物质世界的一项基本实验事实,也是被物理学界所普遍接受的一项基本理论信念。仍以电子的电荷为例,虽然实验测量受到精确度的限制,而且各次测量结果在最后几位有效数字上有出入,但是当前绝大多数物理学家仍一致相信,所有电子的电荷值应该完全相同,没有丝毫差别。任何物理理论,尤其是量子理论,都是在这种信念的基础上建立起来的。

全同粒子:是指具有完全相同内禀属性的粒子。 自然界中存在不同种类的粒子,如电子、 质子 、中子、光子、π介子 等。它们可以是基本粒子,也可以是由基本粒子构成的复

全同性原理

全同性原理是指在全同粒子组成的体系中,交换两个粒子的状态体系的微观状态不变,即全同粒子体系的任何可观测量对于两粒子交换是对称的,这一结论又称为全同粒子的不可分辨性。 全同性原理是量子力学的基础公式之一,属于基本事实,经过人类长期反复实践的考验,不需要也无法加以证明。与测量公式、波函数公式、算符公式、微观体系动力学演化公式一同构成量子力学的数学体系。


在量子力学中,把属于同一类的粒子称为全同粒子,也就是说固有性质(质量、电荷、自旋、同位旋、宇称、奇异数等)相同的粒子称为全同粒子。粒子全同性概念与粒子态的量子化有本质的联系。如果没有态的量子化概念,就没有全同性概念的产生。在经典力学中,由于粒子的性质和状态(质量、形状、大小等)可以连续变化,宏观角度上说明不了两个粒子真正全同。


在量子力学中,由于态的量子化,两个量子态要么完全相同,要么完全不相同,中间无连续过渡。例如:两个银原子,不管它们是经过什么工艺过程制备出来,通常条件下都处于基态,都用相同的量子态来描述,所以,我们说它们是全同的。

全同粒子与非全同粒子区别

全同粒子是指具有完全相同内禀属性的粒子。而全同粒子是指不具有完全相内禀属性的粒子,也可是说是具有一部分相同一部分不相同的内禀属性的粒子。

1、全同粒子是指具有完全相同内禀属性的粒子。 自然界中存在不同种类的粒子,如电子、 质子 、中子、光子、π介子 等。

2、 在量子力学中,我们假设许多基本粒子是不可区分的,例如电子,质子,中子等,我们把不可区分的粒子称为是全同粒子。

3、例如我们在两个位置同时测量到两个电子,我们只能知道两处各有一个电子,而不知道哪个电子在哪里。对于宏观物体,我们可以通过做标记或者追踪轨迹的方式轻易把不同它们区分开,但量子力学中的粒子既不能做标记也没有轨迹的概念。

4、全同粒子组成的多体系的哈密顿量,对于任何两个粒子交换是对称的。实验表明,全同粒子体系状态的交换对称性,取决于粒子的自旋。量子力学中这种全同性导致全同多粒子体系波函数对于粒子交换的对称性 。

对于自旋是整数倍的粒子,如π介子和光子,波函数对于任何两个全同粒子交换是对称的,称为玻色子。对于自旋是的半奇数倍的粒子,如电子、质子和中子,波函数对于任何两个全同粒子交换是反对称的,称为费米子。

粒子全同性概念与粒子态量子化有本质的联系,如果没有态的量子化,就谈不上全同性。为什么??

量子化使得粒子的状态变成了可数的,从而不同的粒子可能拥有相同的量子态。而用量子力学的观点来看,拥有相同态的粒子便是不可区分的(除非引入新的自由度)。所以全同性是由量子力学的描述手段决定的,当然也是粒子的量子化特点决定的。
设想态是连续的,便不可能存在完全相同的两个粒子。

每个电子或中子都是相同的吗?

实验上是无法区分的。这是微观粒子全同性原理,是量子力学的基本原理之一。


相关内容陈述如下:

全同粒子:如果两个微观粒子的内禀属性(质量、电荷、自旋、同位旋、内部结构及其它内禀性质)相同,就称它们为两个全同粒子

微观粒子全同性原理:系统中全同粒子因实验表现相同无法分辩。换而言之,如果设想交换系统中任意两个全同粒子所处状态和地位,将不会表现出任何可以观察的物理效应

怎么理解全同粒子?

我是这样理解的,所谓内禀性相同,就拿自旋来说,不同的粒子会有不同的旋转特性,并不是说相同的旋转特性就只能有一种旋转方式,电子就有两种旋转特性相同的相反旋转方式。
打个比方吧,如果有两辆相同品牌、相同型号的汽车,它们所有的部件都是相同的(当然,现实里没有),这并不能说明它们就会以相同的档位和相同的速度运行吧。
氢原子中的两个电子,即使他们自旋正好相反,那么由于交换对称性,即使交换,也影响不了系统的量子态,这就相当于无法对这两个电子进行标记区分,无论怎么测量你都无法分清楚两个电子哪个是哪个(在这个系统内),这正好也能够说明它们是全同粒子。

对宏观物质和微观粒子的认识

粒子的全同性是量子力学的基本假设,量子力学中的全同性是指不可区分性。即使两个具有复杂内部结构的原子,只要相干,也会变得不可区分。因此这个问题的关键不在于微观粒子是否比树叶复杂,而在于相干性。对于这个问题,简要的回答是,因为微观粒子具有量子性(相干性),而宏观世界的叶子量子性(相干性)很弱。
所谓相干性是指,两个物体的波函数有重叠,重叠越多,相干性也越好。注意,这与微观粒子是否是基本粒子无关。微观粒子,譬如质子,也具有复杂的的组分和内部结构。但在一定尺度下观察时(譬如在原子核中),质子可以作为一个微观粒子,我们可以定义质子的波函数。当两个质子之间的距离小于其德布罗意波波长时,质子的量子性便比较明显。当然,全同性还要求微观粒子的有效量子数(位置也大致可以视为一个近似量子数)完全相同。大部分量子数与能量有关,而微观粒子的能量简并度比较低,两个微观粒子处在同一量子态的热力学概率比较大。
树叶作为一个宏观物体,它的大小已经远远超过其本身介观组分的德布罗意波波长。因此两片树叶的相干性很差。假如两树叶可以被制备成相干态,它们若想是全同的,还需要具有相同的量子数。树叶等宏观物体的能级是高度简并的,因此从热力学上讲两片树叶具有相同量子数的概率很小。由于这两个原因,树叶等宏观物体的全同性是很差的。
但这不表明宏观物质无法具有量子性及全同性。实际上,物理中有几个有名的宏观量子性。一个是超导,另一个是超流,还有一个波色-爱因斯坦凝聚。现在能够已经能够实现介观物质的相干制备。

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