科技之窗：量子究竟有多神奇( 二 )
【科技之窗：量子究竟有多神奇】此前，牛顿的经典力学理论中提出，能量是连续的，但是光电效应现象昭示出世界不再是线性的，而是非线性的。前辈科学家通过思考光的本质，最早提出了量子的概念。所有微观世界中的粒子，包括原子、原子核、电子以及光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。
到二十世纪三十年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述。现在科学界公认，量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。
费米子和玻色子，是量子世界存在的基础
既然描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。所以有必要先了解一下物质粒子的量子属性：费米子和玻色子。
随着量子力学的深入研究，科学家发现，在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，其中比较重要的一个性质就是粒子自旋，这与地球自转的效果差不多。自旋是粒子的一种与其角动量（可理解为半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处在于，自旋是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。
物理学家将不同自旋的粒子分成了两种。一种自旋是整数的粒子被称为玻色子，以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常见的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整数，被称为费米子，以意大利物理学家恩利克·费米命名，电子就是典型的费米子。
科学家通过实验发现，两个玻色子交换，它们的波相加，所以两个玻色子喜欢待在一起，有亲和力；两个费米子交换，它们的波相消，所以两个费米子无法待在一起，互为排斥。这就是有名的泡利不相容原理：两个费米子不能占据同一个状态。
因此，原子中的电子必须占据不同的轨道。所以当原子带有多个电子时，电子按能量由低到高，依次的填充不同的轨道。当电子数目不同时，电子的轨道占据构形也是不同的。因为原子的形状，主要是由最后被占据的同颜色轨道所决定的，我们发现，带不同数目电子的原子，会有不同的性状。这导致了原子的丰富形状和丰富的化学活性，这是复杂生物世界存在的原始基础。
但是只有费米子是构不成物质的，必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了，我们还需要费米子之间能够相互作用，而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做玻色子。
总的来说，物质的基本结构是费米子，而物质之间的基本相互作用却由玻色子来传递。费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。
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