全同粒子

具有完全相同内禀属性的粒子

全同粒子（identical particles）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合粒子（如α粒子）。以电子为例，不管其来源如何，根据实验测定，每个电子的静止质量均为me=9.109534(±47)×10－31 Kg ，电荷为－e [e=1.6021892 (± 46)×10－19C]，自旋为ħ/2。每一种粒子各自具有特定的内禀属性，包括静质量、电荷、自旋、磁矩、寿命等。量子力学中把属于同一类的具有完全相同的内禀属性的粒子称为全同粒子。

理论诠释

粒子全同性概念与粒子态的量子化有本质上的联系。如果没有态的量子化，就谈不上全同性。经典物理学中，由于粒子的性质（质量、大小、形状等）可连续变化，谈不上两个粒子真正全同。

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（不变）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ħ整数倍（包含0）的粒子，如π介子（自旋为0）和光子（自旋为ħ），波函数对于任何两个全同粒子交换是对称的（不改变正负号），称为玻色子。对于自旋是ħ的半奇数倍的粒子，如电子、质子和中子（自旋为ħ/2），波函数对于任何两个全同粒子交换是反对称的（改变正负号），称为费米子。

粒子全同性不应认为只是一个抽象概念，它是可观测量。全同费米子体系必须遵守泡利不相容原理，它是理解化学元素周期律（原子中的电子壳结构）的关键。量子力学出现后，在全同性原理的基础上从理论上证明了这一原理。泡利原理是原子、分子以及原子核结构的理论基础之一。而全同玻色子体系则允许任意多个粒子处于同一量子态，在适当条件下则可能出现玻色-爱因斯坦凝聚现象。

具体说明

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（包括未被测量过的电子）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。

一个由若干个全同粒子组成的物理体系，其运动状态的全部性质原则上应该可以由外部的“观测者”（例如其他基本粒子）通过同这个体系的相互作用而一一查明。假如交换体系中任意两个粒子（第i个和第j个）的运动状况，因为实行交换的粒子是全同的，外界“观测者”的观测结果显然不会受到任何影响，所以必须认为粒子i和j实行交换后体系仍处于同一运动状态。这个观点以及下面说的波函数具有交换对称性或反对称性通常称为全同性原理。如以Ψ表示交换前描述体系状态的波函数。pijΨ 表示交换后体系的波函数，Ψ和pijΨ 既然描述同一状态，它们最多相差一个常数因子。由于接连交换两次波函数必须还原，这个常数因子只能是±1。当pijΨ=+Ψ，就称体系状态为交换对称的；当pijΨ=－Ψ，则称为交换反对称的。

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，凡是自旋等于h-整数倍（0，h-，2h-，…）的全同粒子系，波函数是交换对称的，并遵守玻色-爱因斯坦统计法则。这类粒子称为玻色子。凡自旋等于h-的半整数倍（h-/2，3h-/2，…）的全同粒子系，波函数是交换反对称的，并遵守费密-狄拉克统计法则，这类粒子称为费密子。光子（自旋为h-），α粒子π介子（自旋为0）则是玻色子；电子、质子、中子（自旋为h-/2）则是费密子。对于全同费密子体系，体系中不能有两个或两个以上粒子同时处于相同的单粒子态。即每一个单粒子态最多只能容纳一个粒子。这个结论称为泡利不相容原理。玻色子体系不受泡利原理的限制，而且，由于粒子总是自发地向低能级跃迁，玻色子有向基态能级凝聚的倾向，这是产生低温超导和超流现象的基本原因。

重要特点

在同样的条件下，它们的物理行为完全相同，因此用一个全同粒子代替另一个，不会引起物理状态的变化。在经典力学中，可以从粒子运动的不同轨道来区分不同的粒子。而在量子力学中，由于波粒二象性，随着时间的变化，波在传播过程中总会出现重叠，因此全同粒子在量子力学中是不可区分的。由全同性原理可以推知，全同粒子组成体系的哈密顿算符具有交换对称性。

地位

全同粒子是量子力学的基本概念之一。指内禀属性（质量、电荷、自旋等）完全相同的粒子。它们可以是基本粒子，也可以是由基本粒子构成的复合粒子（如α粒子）。

量子力学

量子力学是研究微观粒子运动规律的理论，是现代物理学的理论基础之一。量子力学是在本世纪20年代中期建立起来的。19世纪末，人们发现大量的物理实验事实不能再用经典物理学中能量是完全连续性的理论来解释。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量子假说，用量子化即能量具有的不连续性，解释了黑体辐射能量分布问题。1905年，爱因斯坦在此基础上提出了光量子假说，第一次揭示出光具有波粒二象性，成功地解释了光电效应问题。1906年，爱因斯坦又用量子理论解决了低温固体比热问题。接着，丹麦物理学家玻尔提出了解释原子光谱线的原子结构的量子论，并经德国物理学家索末菲等人所修正和推广。1924年，德国物理学家德布罗意在爱因斯坦光量子假说启示下，提出了物质波假说，指出一切实物粒子也同光一样都具有波粒二象性。1925年，德国物理学家海森堡和玻恩、约尔丹以矩阵的数学形式描述微观粒子的运动规律，建立了矩阵力学。接着，奥地利物理学家薛定谔以波动方程的形式描述微观粒子的运动规律，建立了波动力学。不久，薛定谔证明，这两种力学完全等效，这就是今天的量子力学。量子力学用波函数描写微观粒子的运动状态，以薛定谔方程确定波函数的变化规律。应用量子力学的方法解决原子分子范围内的问题时，得出了与实验相符的结果;量子力学用于宏观物体或质量、能量相当大的粒子时，也能得出与经典力学一样的结论。因此，量子力学的建立大大促进了原子物理、固体物理和原子核物理学的发展，并推动了半导体、激光和超导等新技术的应用。它标志着人类认识已从宏观领域深入到微观领域。量子力学为哲学研究的发展开辟了新的领域，它向人们提出了一系列新的哲学课题，诸如微观客体的存在特征、微观世界是否存在因果关系、主客体在原则上是否不可分、主客体之间的互补问题等等。深入和正确地回答这些问题，无疑将会推动马克思主义哲学的深入发展。

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