festligheter började idag för att fira 125-årsdagen av den berömda fysikern Satyendra Nath Bose, som föddes denna dag 1894. Boses namn var mycket i nyheterna när CERN upptäckte Higgs boson några år tillbaka. Många rapporter påpekade och firade det faktum att ordet ”boson” i ”Higgs boson” hade myntats från Boses efternamn. Higgs-bosonen är dock inte den enda partikeln som åtnjuter denna ära, och det finns faktiskt en hel klass av elementära partiklar som delar ett gruppnamn – boson.
Tänk på de många partiklar du har hört talas om, såsom elektron, proton, neutron, neutrino och foton. Alla partiklar i denna lista, utom fotonen, är så kallade materiepartiklar. Fotonen är å andra sidan en kvant eller liten bunt av det elektromagnetiska fältet.
förhållandet mellan materiepartiklar och fältkvanta är enkelt — materiepartiklar interagerar med varandra genom att utbyta lämplig fältkvanta.
en grundläggande skillnad mellan materia partiklar och fältkvanta är att medan du kan klämma in så många fältkvanta i en liten volym, kan du inte göra det med materia. För att se detta, försök bara sitta nära en annan person – det finns en gräns för hur nära du kan komma. Detta beror på att elektroner, protoner etc i våra kroppar motstår att staplas ovanpå varandra. Detsamma är inte fallet med fältkvanta, som kan packas så nära som behövs.
denna väsentliga skillnad måste hanteras när vi tittar på system med identiska partiklar, till exempel samlingar av elektroner eller fotoner. Skillnaden manifesterar sig i de statistiska egenskaperna hos det många partikelsystemet. Materiepartiklar som elektroner, protoner etc följer vad som kallas Fermi-Dirac-statistiken och är därför kända som ’fermioner’. Fältkvanta, till exempel, lyda vad som kallas Bose-Einstein statistik och kollektivt kallas ’bosoner’.
i allmänhet hör vi mindre om bosoner. Det finns Higgs boson som ger massa till partiklar som protoner och neutroner. Det finns W-och Z-bosonerna associerade med den svaga kraften och nutrinos.
varför kalla dem bosoner?
Varför är dessa partiklar kända som bosoner? Det var Bose som faktiskt räknade ut (i det specifika fallet med fotoner) hur en grupp identiska fotoner skulle bete sig. Han var intresserad av att reproducera, matematiskt, Plancks strålningslag med endast kvantmekaniska ideer. Han använde en teknik i denna beräkning som lade grunden för kvantstatistik. Han skickade sedan sitt papper till Albert Einstein som erkände värdet av hans beräkning och hade papperet översatt till tyska och publicerat i tidskriften Zeitschrift fur Physik. Detta papper visade sig vara en seminal och tekniken som används av Bose går under namnet Bose-Einstein-statistik och partiklarna som fotoner som följer denna statistik kallas bosoner.
medan Bose själv inte insåg det enorma genombrott han hade gjort, gjorde Einstein, och han tog Boses arbete mycket längre. Fysiker Paul Dirac var den första som använde termen ”boson” för att beskriva partiklarna som följde Bose-Einstein-statistiken för att fira Boses bidrag till att utveckla denna teori.