보존Boson과 페르미온Fermion
양자역학에서 모든 입자는 보존boson이나 페르미온fermion에 속한다. 보존과 페르미온은 입자를 구분하는
중요한 기준이다. 보존은 물리적 힘을 전달하는 것으로 생각되는 원자구성 입자의 한 분류에 속하는 입자군이다. 이런 힘은 이론적으로 전달장carrier field에 의해 한 입자에서 다른 입자로 전달되는데, 이 전달장은 해당 보존에 의해 구체화된다. 페르미온은 1/2의 홀수배의 각 운동량을 가지는 원자구성 입자로 이 용어는 이것들의 거동을 설명하는 페르미-디랙 통계에서 유래했다. 페르미온은 경입자류인 전자 뮤온 등과 중입자류인 중성자, 양성자, 람다입자 등 홀수의 질량수를 갖는 핵자인 삼중수소, 헬륨-3, 우라늄-233 등을 갖는 입자들을 포함한다. 페르미온은 에너지로부터 생성되며 이것들은 항상 입자-반입자쌍으로 소멸한다. 전자나 쿼크 같은 기본입자도 보존과 페르미온으로 구분할 수 있고, 원자핵이나 양성자 같은 기본입자의 결합물도 보존과 페르미온으로 구분할 수 있다. 입자가 보존이나 페르미온인지는 고유 스핀intrinsic spin에 의해 결정된다. 입자의 스핀은 공간상의 실제 회전과 관련이 없다. 입자가 고유 스핀을 가지면 회전하지 않지만 입자는 회전하는 것처럼 상호작용한다. 전자와 자기장의 상호작용은 공간에서 실제적인 회전운동에 따라 결정되지만, 또한 전자의 고유 스핀의 영향도 받는다. 고유 스핀은 입자의 고유 성질이다. 입자의 고유 스핀은 불변하는 특정한 값이다. 예를 들면 광자는 보존이며 스핀이 1이다.
양자역학에서 스핀은 양자화 된 값이다. 양자 스핀은0(스핀이 없음), 1, 2 ...의 정수 값을 갖는다. 인도의 물리학자 사트옌드라 나드 보스Satyendra Nath Bose(1894~1974)의 이름에서 유래한 보존은 0,1,2,3과 같은 정수 값의 고유 스핀을 갖는다. 이탈리아의 물리학자 엔리코 페르미Enrico Fermi(1901~54)에서 유래한 페르미온은 1/2, 3/2처럼 정수 값의 반에 해당하는 고유 스핀 값을 갖는다. 스핀 1인 입자가 한 바퀴 회전해서 초기 상태로 돌아온다면 스핀 1/2 입자는 두 바퀴 회전해야 초기 상태로 돌아온다. 페르미온의 스핀은 기이하게도 정수 값의 1/2인데, 양성자, 중성자 그리고 전자는 모두 스핀 1/2 입자이다.
빈 태생의 물리학자 볼프강 파울리Wolfgang Pauli(1900~58)가 1924년에 발견한 파울리의 배타원리Pauli's principle는 같은 두 페르미온 입자가 같은 장소에서 결코 발견될 수 없다고 말한다. 배타원리 덕분에 원자는 화학반응을 일으킬 수 있는 구조를 갖게 되었다. 동일한 스핀을 가진 전자들이 같은 공간에 있을 수 없으므로 전자들은 다른 궤도를 돌아야 한다. 우리 손을 이루는 전자는 탁자 속의 전자와 같으므로 우리가 탁자를 쳤을 때 손을 이루는 전자가 탁자의 전자가 있는 자리로 이동하지 못한다. 두 개의 같은 페르미온이 같은 시간, 같은 장소에 있을 수 없기 때문에 물질이 붕괴하지 않는 것이다.
보존은 페르미온과 정반대이다. 보존은 같은 장소에 있을 수 있다. 보존인 광자의 뭉치인 빛은 다른 빛이 있는 자리를 다시 통과할 수 있다. 이 원리에 따라 만들어진 것이 레이저laser(light amplification by stimulated emission of radiation의 머리글자를 딴 것이다)이다. 같은 상태의 보존을 한데 모을 수 있기 때문에 레이저는 강력하고 빛을 만들어낸다. 마찰 없이 영원히 회전할 수 있는 초고체supersolid와 전기저항이 없는 초전도체superconductor도 보존으로 구성된다. 보존의 성질 중 극단적인 사례가 보스-아인슈타인 응축물Bose-Einstein condensate로 같은 종류 입자들의 무리가 하나의 입자처럼 행동하는 것이다. 2001년 미국의 물리학자 에릭 코넬Eric Allin Cornell(1961~), 독일 태생으로 MIT 교수 볼프강 케테를레Wolfgang Ketterle(1957~), 미국의 물리학자 카를 비만Carl E. Wiemann(1951~)은 보스-아인슈타인 응축물로 노벨 물리학상을 수상했다. 결론으로 말하면 기본입자는 고유 스핀을 가지며 하나 혹은 다른 방향으로 회전하는 것처럼 작용한다. 그래서 모든 입자는 보존이나 페르미온으로 분류될 수 있다.