個人很難理解靜止質量非零的玻色子。

你都有靜止質量了,參與至少一種相互作用裏,自帶場,怎麼處於同一量子態啊。

但是偏偏有玻色-愛因斯坦凝聚態和超導這樣的例子。所以很奇怪,玻色-愛因斯坦凝聚態模型中,原子處於統一量子態,那組成這些原子的電子和原子核呢?

還是說這個原子其實是處於不同的量子態,只不過這些量子態很接近,其在動量表象上一致而在位置表象上相差整數個波長?


這是一個非常非常好的問題。雖然學的時候總是說費米子可以合成玻色子,玻色子可以處在同一個量子態,那似乎意味著組成它的費米子也在同一個量子態啊!這個和泡利不相容原理矛盾啊!這個看似基本的問題其實還挺不好理解的。我也是上網查了查資料,和 @QED 大佬討論了一下午才搞明白的。

結論是:大尺度看BEC原子近似處在同一個態(是玻色子),但是小尺度不是。這個尺度既指空間,又指能量。

我的回答主要參考 Physics exchange的一個回答

Can bosons that are composed of several fermions occupy the same state??

physics.stackexchange.com圖標

我們考慮最簡單的氫原子,它有一個質子一個電子。質子電子都是費米子,但是氫原子是玻色子。我們把氫原子的自由度分成兩部分:原子質心在空間中運動的自由度,和原子內部自由度(包括電子軌道、電子自旋、質子自旋)。如果兩個氫原子離得很遠(相比於原子半徑),以至於它們感受不到對方的存在,那麼兩個原子的內部狀態可以一樣,比如說都處在能量為-13.6eV的基態(n=1, F=0)。但由於原子質心在空間中的位置是不一樣的,所以兩個原子不處於同一個量子態。那我們為什麼說原子是玻色子呢?這就涉及到尺度的問題。假設兩個原子距離10nm,是原子半徑(~0.1nm)的一百倍,滿足我們說的離得很遠的假設,所以兩個原子處在各自的基態(n=1, F=0)。但是我們是用光看這兩個原子,光波長是幾百nm,是原子距離的幾十倍,我們看不出來這兩個原子空間上的分別。內部狀態一樣,空間上的區別看不出來,我們就可以認為這兩個原子處在同一個量子態,所以可以當成玻色子。

那麼如果我們強行把兩個內部狀態一樣的氫原子在空間上拉到一起,它們會不會在空間上重疊呢,同時內部狀態還保持一樣呢?

答案是不會的,這兩個原子會相互排斥,這個排斥的能量會把其中一個原子激發,使其離開基態SP0,兩個原子內部自由度不再相同。我們用一個簡單的toy model解釋這個現象:

我們就考慮1維空間,把原子核近似成一個delta勢阱,那麼單個原子只有一個束縛態,波函數 [公式][公式] 是原子半徑,束縛態能量為 [公式]

一維delta勢阱束縛態波函數,在勢阱兩邊波函數指數下降。圖片來自https://en.wikipedia.org/wiki/Delta_potential

如果我們有兩個原子核,也就是兩個delta勢阱,我們想往裡面放兩個電子,會怎麼樣呢?這兩個電子的波函數會重疊,軌道會雜化,會形成對稱和反對稱兩個軌道(下圖紅色和綠色)。當原子核離得遠的時候,軌道雜化不是很明顯,對稱、反對稱的能量基本上都還是 [公式] ,所以體系還有兩個束縛態。當兩個原子的距離小於兩倍原子半徑的時候,反對稱態的能量&<0,對稱態能量=0。而我們知道自由電子能量是0,這就意味著對稱態已經不穩定了,電子可以飛到無窮遠了。也就是說,當兩個原子空間上離得足夠近的時候,兩個原子的內部狀態就不一樣了(一個原子的電子還在原子核附近,另一個原子的電子被打飛到無窮遠了)。

一維雙delta勢阱,有對稱(紅色)、反對稱(綠色)兩個態,圖片來自https://en.wikipedia.org/wiki/Delta_potential

總結一下:

當兩個原子的距離r很遠(相對於原子半徑 [公式] )的時候,他們的能量差別 [公式] 很小(相對於單個原子能量 [公式] ),而我們的測量手段往往分辨不出 [公式] 這麼小的空間尺度和 [公式] 這麼小的能量尺度,所以我們可以近似認為兩個原子處在同一量子態,也就可以近似說原子是個玻色子。

當兩個原子離得很近的時候,原子的內部狀態會被改變,不能被看成玻色子了。


碼字不易,看到這裡點個贊吧~


這個關於BEC的問題在學過BCS之後應該很容易理解纔是。

考慮一個最簡單的模型,格點系統上的處於基態的氫原子BEC圖像,同時忽略掉電子和質子的自旋自由度。這時候把電子看成是BCS中自旋向上的電子,質子看成是BCS中自旋向下的電子。BCS中吸引力就是BEC中氫原子的結合能。BEC基態的多體波函數也就是BCS中庫珀對的乘積態。既然BCS的庫珀對對應著BEC中的氫原子,那麼顯然,這些氫原子處於相同的量子態。但是如果你試圖考慮電子本身,BCS中的電子佔據不同的動量。這對應著BEC中,不同電子佔據不同的動量,不同質子也是如此。

另外說一句,這個問題本質上是一個多體問題,僅僅一個單體圖像是不可能解釋清楚的。更加數學化的推導需要學一點二次量子化的語言。


不是。原子作為一個整體處於相干態


沒看懂你的表述,誰有靜質量?誰參與相互作用,什麼相互作用?

原子核裡面的電子是費米子,不遵守be統計。

質量這個物理量取決於你怎麼定義。你從牛二定義,從dos定義,從相對論定義,最後結果都不一樣:


推薦大家去看一部電影《幽冥》玻色-愛因斯坦凝聚態的幽冥在片中展現的淋漓盡致。


可能是研究層次不夠深入的原因,語言上說原子的量子態,電子的量子態,都是指最外層電子在離子實(原子排除最外層電子後剩下的部分)勢場(靜電場起主要作用,穩恆磁場也起作用)中的量子態。原子核物理的層面,的確更深入地比劃了核子的雲圖,然而這些內容還很不清晰。


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