弯曲的旅行：揭开隐藏着的宇宙维度之谜

量子力学在粒子世界做了一个重要的划分，所有粒子被分为玻色子和费米子。这些粒子可以是基本粒子，如电子和夸克；也可以是复合体，如质子或原子核。任何粒子要么是玻色子，要么是费米子。

一个粒子究竟是属于玻色子还是费米子要取决于它们的内禀自旋，这一名称会让人产生联想，但粒子的“旋转”与实际的空间运动并无联系。如果一个粒子有自旋，是指它们的内部作用就像是在旋转，尽管实际并非如此。

例如，电子和电磁场的相互作用依赖于电子的经典旋转——它在空间的实际自转，但这种相互作用还依赖于电子的自旋。经典的旋转是由现实空间里的实际活动^[19]引起的，而自旋则不同，它是一个粒子的属性：是固定的，而且有着不变的、特定的值。例如，光子是一个玻色子，它的自旋是1，这就是光子的属性，就如同光子以光速行进一样，是一个基本事实。

在量子力学里，自旋也被量子化。量子自旋值可以是0（即没有自旋），也可以是1或2，或其他任何整数的自旋，我称它们是自旋-0，自旋-1，自旋-2，如此等等。玻色子的得名是为了纪念印度物理学家萨地扬德拉·玻色（Satyendra Nath Bose），称做玻色子的粒子都是整数自旋——量子力学的自旋与自转无关——玻色子的自旋可以是0、1、2等等。

费米子自旋的量子化是量子力学出现之前人们无论如何都想象不到的。费米子得名于意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi），它的自旋是半整数，即1/2或3/2。一个自旋为1的粒子要转一圈才能回到原来的结构，而自旋为1/2的粒子要旋转两圈才回到原来的结构。

尽管费米子的自旋为半整数倍令人感到非常奇怪，但质子、中子和电子等都是自旋为1/2的费米子。从根本上讲，所有我们熟悉的物质都是由自旋为1/2的粒子构成的。

正因如此，我才以一座有着不同楼层的建筑来比喻。根据泡利不相容原理，不同楼层代表许多电子在围绕原子核旋转时，电子所占据的不同的量子化电子轨道。正因为这一原理，你才不会将手插进桌子，也不会掉进地球中心。桌子和你的手都有着坚实的物质结构，是因为不相容原理使物质形成了它们各自的原子、分子和晶体结构。你手上的电子与桌子的电子是相同的，所以当手拍击桌子时，电子无处可去，两种相同的费米子不可能同时出现在同一位置，因此物质才不会坍塌。

而玻色子的表现与费米子恰恰相反，它们会出现在同一位置。玻色子就像鳄鱼——喜欢一个摞一个地叠在一起。如果你向本来就有光的地方再射去一束光，它的表现可完全不同于你空手拍桌子。光是由玻色子——光子构成的，光与光可以互相渗透，两束光完全可以射向同一位置。事实上，激光所依赖的事实正在于此：玻色子可以占据同一领地，因此允许激光生成强烈的、协调一致的光束。超流体和超导体也都是由玻色子组成的。

玻色子属性的一个极端例子是玻色-爱因斯坦凝聚：许多相同的粒子表现得像一个粒子一样——这是费米子永远无法做到的（它们不能出现在相同位置）。玻色-爱因斯坦凝聚的实现，正是因为组成它们的玻色子不同于费米子，可以具备完全相同的性质。2001年，埃里克·康奈尔（Eric Cornell）、沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）和卡尔·韦曼（Carl Wieman）因为发现玻色-爱因斯坦凝聚而获得诺贝尔物理学奖。

在以后的章节，我将不再讨论费米子和玻色子行为的具体性质。我会用到的唯一内容是，基本粒子有其内禀自旋，可以表现为向一个或另一方向旋转；而且，所有粒子的特征都可以刻画为费米子或玻色子。