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
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 , 是原子半徑,束縛態能量為 。