对 boson 来说,如果一个粒子在位置 \(x\),另一个粒子在位置 \(y\),那么交换这两个位置标签不会改变态:

\[ |x,y\rangle=|y,x\rangle. \]

这里先把 \(x,y\) 理解成 position label,也就是一个粒子在 \(x\),另一个粒子在 \(y\)。

从量子场论的角度看,这两个态可以由 creation field operator 作用在真空态上得到:

\[ |x,y\rangle=\Psi^\dagger(x)\Psi^\dagger(y)|0\rangle, \]

\[ |y,x\rangle=\Psi^\dagger(y)\Psi^\dagger(x)|0\rangle. \]

对 boson 来说,creation field operators commute with each other:

\[ [\Psi^\dagger(x),\Psi^\dagger(y)]=0. \]

因此

\[ \Psi^\dagger(x)\Psi^\dagger(y)|0\rangle =\Psi^\dagger(y)\Psi^\dagger(x)|0\rangle, \]

也就是

\[ |x,y\rangle=|y,x\rangle. \]

对 fermion 来说,交换两个相同费米子会多出一个负号:

\[ |x,y\rangle=-|y,x\rangle. \]

在 field operator 的语言里,这来自 fermion creation field operators 的 anti-commutation relation:

\[ \{\Psi^\dagger(x),\Psi^\dagger(y)\}=0. \]

也就是说

\[ \Psi^\dagger(x)\Psi^\dagger(y) =-\Psi^\dagger(y)\Psi^\dagger(x). \]

所以

\[ |x,y\rangle =\Psi^\dagger(x)\Psi^\dagger(y)|0\rangle =-\Psi^\dagger(y)\Psi^\dagger(x)|0\rangle =-|y,x\rangle. \]

如果令 \(y=x\),就得到

\[ |x,x\rangle=-|x,x\rangle. \]

因此

\[ |x,x\rangle=0. \]

这说明两个相同 fermion 不能占据同一个完整的单粒子态。这里如果只写 position label \(x\),实际上是把自旋等其它标签省略了;真正被排除的是所有量子数都相同的状态。

creation operator 和 annihilation operator 在 boson 与 fermion 的情形中也有不同。

先看一个 boson mode。它的 annihilation operator 和 creation operator 记作 \(a\) 与 \(a^\dagger\),满足

\[ [a,a^\dagger]=1. \]

交换顺序以后,

\[ [a^\dagger,a]=-1. \]

所以在 boson 的代数里,\(a\) 和 \(a^\dagger\) 是可以区分的:commutator 的顺序变了,符号也会变。

物理图像上,一个 boson mode 的 occupation number 可以是

\[ n=0,1,2,3,\dots \]

creation operator 让它在 ladder 上往上走:

\[ a^\dagger|n\rangle=\sqrt{n+1}\,|n+1\rangle, \]

annihilation operator 让它往下走:

\[ a|n\rangle=\sqrt n\,|n-1\rangle. \]

这个 ladder 本身并不对称:往上可以一直到 infinity,往下只能到 \(0\)。当已经在 \(n=0\) 的真空态时,

\[ a|0\rangle=0. \]

fermion 的单个 mode 则只有两个 occupation states:

\[ n=0,\qquad n=1. \]

也就是说,这个 mode 要么是 empty,要么是 filled。对应的 creation 和 annihilation operators 满足

\[ \{a,a^\dagger\}=aa^\dagger+a^\dagger a=1, \]

并且

\[ \{a,a\}=0,\qquad \{a^\dagger,a^\dagger\}=0. \]

特别地,

\[ (a^\dagger)^2=0. \]

这表示同一个 fermion mode 不能被 creation operator 作用两次。

在 occupation number basis 里,这些算符的作用是

\[ a^\dagger|0\rangle=|1\rangle,\qquad a^\dagger|1\rangle=0, \]

\[ a|1\rangle=|0\rangle,\qquad a|0\rangle=0. \]

creation operator 在 filled state 上给出 \(0\),annihilation operator 在 empty state 上给出 \(0\)。因此 fermion 的单个 mode 只有

\[ |0\rangle \leftrightarrow |1\rangle \]

这两个状态,empty 和 filled 在结构上比 boson 的无限 ladder 更对称。