汤川秀树发现介子

汤川秀树发现介子

949年冬，日本，举国上下一片沸腾，洋溢着欢乐喜悦的气氛。这是日本战败后，从未有过的场面。知识界更是异常兴奋，欢歌笑语……汤川秀树成了日本人人皆知的伟大的名字。

汤川秀树是日本物理学家，由于“在有关核力的理论工作的基础上预见了介子的存在”而获得1949年度的诺贝尔物理学奖。

他是第一个获得诺贝尔物理学奖的日本人，这标志着明治维新以后的第80个年头，日本已脱离幼年和少年期而进入青年期，同时也标志着日本在科学方面已赶上了西方，他们怎会不高兴呢！

汤川秀树

“科学啊！您以巨大的力量，使这个战败国挺起了胸膛，人民露出笑容。”

那么，汤川秀树是怎样取得如此辉煌的成就，走到科学的前沿阵地的呢？让我们看一看他的科学足迹吧！

汤川秀树，原名小川秀树，1907年1月23日出生于日本首都东京。父亲小川琢治是京都大学的地理学教授，他家有4个儿子和2个女儿，汤川秀树是三儿子。4个儿子后来都成为教授，两个女儿后来也都嫁给教授，堪称为教授之家。汤川秀树后来成为医学家汤川玄洋的养子，所以由小川秀树改名为汤川秀树。

汤川秀树从小受到了良好的家庭教育，父亲常常带他到山间林地领略大自然的风光，同时还给他讲解古希腊自然哲学家的思想。在父亲的影响和教育下，少年的汤川秀树就树立了朴素的唯物主义思想，养成了注重实践，向大自然提出问题，然后努力寻求答案的学习作风。

他五六岁时即从外祖父那里学读中国的古代典籍，少年时代便开始博览群书，日本和西方的古典作品都是他涉猎的对象，使他养成了一种兼容并蓄、富于独创的治学方法。

他从小学到中学，学习成绩一直名列前茅，尤其是英语成绩更为突出，他对语言十分偏爱，又自学了德文，这为以后的科学研究奠定了基础。

日本大阪大学

中学毕业后，他以优异的成绩考入日本著名的京都大学。

1929年，大学毕业后，汤川秀树受聘在大阪大学任教，1932年担任京都大学物理学讲师。1933年至1936年，他转任大阪大学讲师。

这时，物理学正值变革时期，普朗克的量子论揭开了现代物理学的序幕，把科学引入到了原子时代；卢瑟福打开了原子秘宫，原子物理学获得了飞速发展。1932年，查德威克发现了中子。接着，德国物理学家海森堡和前苏联物理学家伊凡宁柯，又相继提出了原子核是带正电的质子和不带电的中子组成的模型，使人们清楚地认识到：物质是由原子构成，原子是由原子核和核外电子组成，而原子核是由质子和中子组成的。但是，在这个理论中，还有两大难题尚未得到解决：一是，原子核既然不含电子，那么β蜕变中的电子又是怎样从核中发射出来的？二是，质子既然带正电荷，质子与质子间就必然存在静电斥力，原子核中的质子和质子、质子和中子靠什么力紧密地结合成一个坚固的“球”——原子核，而不因静电斥力飞散开来？

第一个问题是由费米在1933年提出的β衰变理论解释的，即放射性元素之所以放出β粒子（电子），是由于原子核内的一个中子变为一个质子，同时放出一个电子和一个中微子的缘故。第二个问题便成了一个悬而未决的疑难。

正在大阪大学任讲师的汤川秀树，下定了决心去解决这一问题。

现代物理学奠基人爱因斯坦

早在中学时代，汤川秀树就对物理学有浓厚的兴趣，特别是1923年现代物理学奠基人爱因斯坦到日本访学，通过新闻媒介使他对爱因斯坦有了初步了解，从而激发了他献身物理学事业的信心。

有一天，他找到了一篇介绍量子理论的文章，汤川秀树看了半天却没有弄懂。当然，那时不要说中学生，就是在日本科学界能够真正理解这门学科的人也是寥寥无几。可是，汤川秀树却没有灰心，他几乎走遍了京都的书店，最后，终于找到了一本普朗克的著作《理论物理引论》。这本著作后来成了他的好伙伴，他一边查德文字典，一边阅读着，最后终于弄懂了量子理论。

考入京都大学使他非常兴奋，以为一定能大开眼界，学到许多有关原子物理的知识。遗憾的是当时京都大学还没有专门从事量子力学研究的人，使得他大失所望。一天，他听到著名教授长冈半太郎进行“今昔物理学”专题讲座，这使他开阔了学术视野，激发了他自学的决心。

核力

4月，正是日本樱花盛开的季节，整个京都都沉浸在浓郁的春意之中。春意盎然的风光并没有招来汤川秀树的喜爱，因为在他看来，萧然寂静的图书馆比春光更迷人，因为那里是无穷无尽的知识海洋。当图书馆员看到汤川秀树和朝永振一郎，每天都在这里查阅一些新出版的国外杂志，尤其是德文刊物时，无不感到惊叹！他们根本不会想到后来这两位学生都相继获得了诺贝尔奖。

是的，科学的天才出自于勤奋，他们没有名师指导，没有系统正规的课本，他们互相帮助，共同探讨，以顽强的毅力向量子力学的高峰不断冲击，不畏艰辛地向这门科学的顶点攀登。

渐渐的，汤川秀树不满足于自己总是跟着人家的后面学。赶超世界先进水平的决心开始在他的头脑中涌现出来。

果不其然，汤川秀树通过自学攻破了原子物理学一大堡垒，达到科学的顶峰。

1935年，汤川秀树找到了原子核中的质子和质子、质子和中子能够紧密地结合在一起的原因。他提出在原子核中存在一种新型的场力，叫做核力，它既不同于电磁力，也不同于万有引力。这种场力与电磁场力十分类似；电磁场力可以认为是在带电粒子之间交换光子形成的，而核力则也可以认为是在核子之间交换一种粒子形成的。原子核之所以坚不可摧，就是这种力的作用。

因此，有名的“介子理论”从此诞生在东方的物理王国。介子理论明确了这样一个问题：自然界中应该有一种质量为电子的200～300倍的粒子，是质子或中子质量的1/6～1/8，它可以带电，也可以不带电，就是这种粒子形成了核力。由于它的质量介于电子和质子质量之间，所以起名叫做“介子”。正是介子使得质子克服了它们之间的同性电斥力而和中子一起紧紧地组成了原子核。汤川秀树指出，介力场围绕着质子、中子，正像电磁场围绕着电子一样，当电子受到碰撞而发生运动时，它周围的电磁场就会以光的形式播散出来，当一个质子或中子受到碰撞时，也会放出介子，所以宇宙射线中应该可以发现介子。

这一理论提出后，没有得到日本学术界的高度重视。不错，一个大学的小讲师，重大的科学发现怎会在他手中产生呢？

1937年，一个令人振奋的消息传到了日本，日本学术界顿时沸腾起来。美国物理学家安德森等人利用威尔逊云室，在宇宙射线中发现了一种比电子质量大约200倍的新粒子，于是汤川秀树的理论得到了证实，介子理论立即受到了日本乃至全世界学术界的重视。东方的一颗科学明星顷刻间升在日本的上空。1939年，他被聘为京都大学教授；1940年汤川秀树荣获日本科学院帝国奖金；1943年又授予他文化勋章，成为日本科学院院士和日本物理学会会员。

π介子键

然而，人们发现，宇宙射线中的粒子，即μ介子与核力根本没有关系，它只能发生弱相互作用，不参与强相互作用。于是，1942年，汤川秀树又提出了一种新的假设，认为宇宙射线中的那种介于不直接与核力有关，而是一种较重的介子衰变而成，这种较重的介子与核于发生强相互作用。

1947年，英国物理学家鲍威尔用超灵敏的仪器，终于在宇宙射线中发现了汤川秀树预言的较重的介子，并命名为π介子，μ介子就是由它在很短的时间内衰变而成的。1948年，美国伯克利实验室人工生产出各种介子，至此，汤川秀树的介子理论才得到普遍承认。由于汤川秀树提出了π介子理论，对原子物理学的贡献卓著，1949年，他获得了诺贝尔物理学奖。

从汤川秀树“π介子理论”的提出，到π介子的发现，标志着人类对物质的认识又向前跨进了一步，使人类认识从原子核进入到基本粒子的领域，所以说，汤川秀树的理论是具有划时代意义的。美国物理学家奥本海默曾说：“汤川秀树博士预言介子的存在，是最近10年来为数甚少的极富科学成果的理论之一。”

1948年，在奥本海默的邀请下，汤川秀树到美国普林斯顿高等学术研究院参加核物理研究小组，1949年改任哥伦比亚大学教授，直到1953年回到日本。后任京都基础物理研究所所长。他于1956年创办的《理论物理学进展》杂志，是国际上最出色的物理学学术期刊之一，发行世界各地。

1981年9月8日，汤川秀树因病去世。为了纪念汤川秀树的科学功绩，鼓舞后人，京都大学修建了汤川纪念馆。