汤川秀树和介子理论

汤川秀树于1907年1月23日诞生于日本的东京。他父亲原来在东京地质勘测局工作，汤川出生一年后，辞去勘测局的职务，来到日本中部的东都，任京都大学地理系教授。

京都是日本古代都城和日本的文化中心。这座城市不仅更多地保留了日本的文化，而且风光秀丽，山清水澈。树木葱郁的岗山，白茫茫的琵琶湖，绿树葱茏的小岛，岗山倒影的大堰河，河上横跨的渡月桥，清澈见底的保津川……京都真是一座美丽的文化古都啊！人们说，京都一年四季都美。此话不假。因为有三月的樱花，盛夏的蝉鸣，深秋的红叶，严冬的雪色。

日本物理学家汤川秀树，1949年获得诺贝尔物理学奖。

汤川一岁时就生活在这样一座到处充满文化气息和大自然和谐之美的城市，应该说是他的幸运。这儿文化气氛对他的熏陶，尤其是中国文化对他潜移默化的影响，对于他日后的成长起了不可忽视的影响。汤川在自传《旅人》中记述了他京都童年时期的种种情趣（参见参考书目62）。在正式入学之前，汤川就跟祖父学习汉文经典著作。祖父的教学方法犹如中国私塾先生教学生的方法一样：大声朗诵——不管懂不懂，尽管大声朗诵。后来汤川回忆说：

每个汉字都有一个它自己的秘密世界，许多汉字组成一行，而若干行组成一页。这一页对于作为一个孩子的我就成了一道吓人的墙，就像一座不得不去攀登的高山。

在他的祖父看来，中文是“东亚的拉丁文”，是学术交流的传统媒介，因此祖父常常拿着棍子，强迫汤川认那些像天书一样的汉字，否则就棍子伺候。

“我害怕祖父手中的那根棍子。”

汤川是一个十分羞怯、安静和沉默寡言的人，从童年到长大成人以及成为知名学者，一直都是这样。早年的阅读，无论是被迫和自愿的，都影响到了他一生，因为那种阅读至少是兼容并蓄和鼓励独立思考的，而且这种阅读很容易使他沉浸在一个美妙、深沉、悠远而孤独的世界里。这更助长了他那原有的羞怯、深沉的性格。这种性格有时显示出来的是固执和沉默。

汤川秀树的一位老师曾这样谈到他：“汤川秀树有强烈的自我意识，意向坚定。”

后来，汤川这种“意向坚定”对于他的成功起了重要作用。当他提出一种新的理论时，他几乎遭到所有著名科学家（如玻尔、海森伯、奥本海默等）的强烈反对，但他却坚持自己的观点，终于拉开了核力学新时代的帷幕。

1926年当汤川报考京都大学时，他选择了物理学作为自己未来的研究方向。与他同时考入物理系的还有他中学的同学朝永振一郎（1906—1979）。朝永后来也于1965年获得诺贝尔物理学奖。

在大学里，汤川几乎把所有的课余时间都用来在物理系图书室看书。他看书还很有特色，他不大理睬旧书，只对新出版的国外刊物，特别是德国刊物情有独钟。到二年级时，他在图书室里硬是靠自学“啃”完了薛定谔、玻恩的论文。他当时就已经认识到，玻恩的理论强调量子跳跃的不连续性思想，薛定谔则从波函数的形式出发强调自然界的连续性，这两者有统一起来的必要。当这一想法后来很快被薛定谔和狄拉克实现时，想必年轻的汤川十分激动，因为他发现自己已经渐入“佳境”，能够理解科学前沿的活动和预测其规律，这能不让他激动吗？

大学毕业后，汤川留在京都大学任无薪“助教”。因为当时正是世界性经济大萧条时期，他只能找到这种无薪的工作。汤川后来普谐谑地说：“大萧条造就了学者。”

1932年，汤川升任讲师；1933年又受聘于新建的大阪大学，兼任该校讲师。也是这年，查德威克（James Chadwick，1891—1974，1932年获得诺贝尔物理学奖）发现中子以后，物理学家们大都同意了海森伯和苏联物理学家伊万宁柯（д. д. иваненко，1904—1994）的建议，即原子核不是由电子和质子组成，而是由质子和中子组成。这一建议解决了许多以前无法解释的问题，因此大受欢迎。但是，要想把中子和质子保持在直径10—13厘米的核里面，必须有一种很强的束缚力才行。如果有这样一种力，稍加分析即可知道，这种力是一种十分奇怪的力。

第一，这种力绝不会是电磁力，因为质子间的电力是斥力，中子又不带电，中子间以及中子—质子间没有电力的作用；同样，这种力也绝不会是万有引力，因为万有引力（以及电磁力）太弱，而且都可以在非常远的距离发生相互作用，而这种核内的力只在10—13厘米的范围内有效，一超过这个范围立即消失。

第二，这种力比上述已知的两种力大得多。从原子中打出电子来，只需要十几个电子伏能量。但从原子核中打出质子或中子来，却需要大于它几十万倍的能量。为什么原子核那么牢固？究竟是什么力使质子、中子结合得如此紧密？显然，这种结合应属于另一种强得多的新型力。把几十个质子和上几十中子束缚在一个重原子核（如铀核）里，那可不是万有引力和电磁力所能承担的。

物理学家给这种奇怪的力取了一个名字——核力（nuclear force），后来又称为强相互作用（strong interaction）。很显然，核力是一种在经典物理学中尚未遇见过的力，是一种人们尚不知道、尚未研究过的力。当时，由于核力的神秘莫测，异乎寻常，它理所当然地引起了许多物理学家的兴趣，想探寻其奥秘的人也不少。但这些探寻却连连失利，即使几位非常有名气的物理学家如当时苏联的塔姆、伊万宁柯等人的研究，也都以失败告终。

汤川秀树自传《旅人》的中译本封面。

1932年，汤川选择的就是这样一个当时最艰深的课题。他十分清楚研究这一课题的巨大困难。他曾在自传中写道：“选择一个这样困难的课题，我预料自己一定会过上长久痛苦的日子。”但他永远铭记老师长岗半太郎（1865—1950）的教导，长岗常常说：“如果我不能进入先进的研究者行列，并对某一学术领域做出贡献，那生而为人就毫无意义。”

在汤川秀树之前，海森伯提出一个初步的设想，认为核力的起因应该是原子核内部的一种“交换现象”，这种交换是组成原子核的各种粒子之间的一种有节律的位置互换。

汤川秀树根据海森伯关于交换力（exchange force）的设想，把核力与电磁场相类比。当时物理学家已经清楚电磁相互作用是通过交换光子而引起相互作用的一种“长程力”，那么也许可以设想核力同样是通过交换某种粒子才产生的。问题是：核力是交换什么样的粒子呢？经过一年多的探索，汤川大胆地提出了一个设想，认为核力是质子和中子在交换电子时产生的一种相互作用力。

非常不幸的是，汤川的想法一宣布，立即受到1928年从哥本哈根回来的仁科芳雄教授（1890—1951）的批评。仁科教授毫不客气地指出，汤川的论文是完全站不住脚的，因为电子质量太小，不可能形成强大的核力，而且它与当时众所周知的物理理论完全不能相容。汤川非常沮丧，但是并没有因为第一次失利而放弃努力。

1934年10月的一个晚上，汤川的妻子刚生下第二个孩子汤川高明不久，他心情烦躁，无法入眠。他似乎到了一个伟大发现的边缘，但一时还被一层薄雾笼罩着，让他好不焦虑。这可能是灵感将至的一种表现吧？在焦躁渐次平息后，他突然领悟到核场中的交换粒子，其质量必定和核力作用范围成反比 。由于核力范围是10—13厘米，所以场的交换粒子的质量应该比电子质量大许多倍。接着，他做了如下的估算：假设一个核子释放一个粒子，经过距离△r后被另一个核子吸收，如果这个过程需要的时间为△t，即使粒子以光速c前进，走过的距离也不会超过△r=c△t。根据量子力学基本原理——海森伯不确定性原理的关系式：

                               △E·△t≈ ħ （ħ=h/2π）

代入                       △t=△r/c

可以得到               △E≈ ħc/r

式中c为光在真空中速度，r为核半径，h为普朗克常数。如果这些能量全部转化为粒子的静能量，则这种粒子的质量可由爱因斯坦质能方程E = mc2来确定。这样，汤川秀树估算出这种未知粒子的质量，大约为电子静止质量的200倍。由于这种粒子要在中子与质子之间、质子与质子之间和中子与中子之间传递相互作用，所以，这种粒子可以带负电，也可以带正电，还可以不带电。因此它应该共有三种，即后来所知的π+、π—和π0介子；其电荷量的大小与质子电荷相同。由于它的质量介于电子和质子之间，所以后来人们就称之为“介子”（meson），汤川当时称它为“重量子”（heavy quanta）。

当时研究宇宙射线的物理学家发现宇宙射线里有一种粒子，质量与汤川的介子质量相近，称为介子。一般都认为汤川理论中的“重量子”，应该就是宇宙射线里发现的介子，所以把它们都称为“介子”。这起因于那时物理学家普遍认为微观世界的基本粒子数不会很多，所以认为两种介子就是同一粒子的猜想在当时看来不奇怪。

后来，汤川向他所在的研究小组报告了他的研究结果。小组负责人木口正之教授指出：“如果真有你所说的新粒子，那么在威尔逊云室中应该看到它。”汤川表示同意，并且说：“在宇宙射线中应该可以找到这种粒子。”没过多久，汤川在日本物理数学学会大阪分会会议上，正式提出了自己的新理论；一个月以后，又在东京帝国大学举行的学术会议上再次报告了自己的研究成果。

物理学的奇迹第一次出现在亚洲的日本国土。一颗物理学的新星正在日本列岛的上空冉冉升起。

就在形势十分有利的情形下，1939年冒出了一个“介子佯谬”，使介子理论一下子又陷入困境。事态的起因是汤川和同事坂田昌一（1911—1970）在进一步利用量子场论研究时，得到汤川介子的衰变寿命的理论值应该为10—8秒；但多次测量宇宙射线中的介子时，其平均寿命为10—6秒，比理论值大100倍。人们还发现，宇宙介子与物质之间的作用非常微弱，并不具有强的核力作用。当它射入物质后，它就像电子那样通过许许多多次电离碰撞逐渐丢失能量，而后几乎静止在物质中，最后衰变成为电子并放出两个中微子。这一理论与实验的明显矛盾，被称为“介子佯谬”（meson paradox）。

为了解决介子佯谬，名古屋帝国大学教授坂田昌一（1911—1970）根据量子场论提出了一个新的理论，即“双介子理论”（double meson theory）。这个理论首次于1942年5月13日在京都大学“介子俱乐部”的一次学术会议上提出。其关键内容是假定存在一种新的介子（M），它不同于汤川引进的介子（Y）；Y介子会迅速衰变成一个宇宙介子M和一个中微子，M介子再以较缓慢的速度衰变为一个电子（或正电子）加上两个中微子。

1947年5月，英国物理学家鲍威尔（C. F. Powell，1903—1969，1950年获得诺贝尔物理学奖）和他的同事，把新的感光乳剂用气球送到高空去记录宇宙射线，结果拍摄出比以前清晰得多的宇宙射线径迹的照片。他们果真发现：在某一点一个介子停住，同时产生了一个较轻的介子。这两个粒子的质量都超过电子质量的200倍，不过可以确定，前一个介子较重，后产生的较轻。前几年安德森等人在实验中发现的就是这种较轻的介子，它实际上并不是介子，现在称它为μ子（muon）。而较重的介子才是汤川预言的介子，现在称之为π介子（pion）。鲍威尔的实验证实，π介子的平均寿命为2.6×10—8秒，质量为电子质量的273倍，与汤川秀树理论预计值十分吻合；μ子的平均寿命为2×10—6秒，质量为电子质量的207倍。

美国物理学家鲍威尔。1950年获得诺贝尔物理学奖。

于是，汤川的介子理论和坂田的双介子理论同时被证实。实际上，π介子才真正具有汤川预言中的特征，即它是传递核相互作用的粒子，而且只在10—13厘米的范围内才有这种核的相互作用，超过这个距离，核的相互作用立即消失。但μ子与原子核的相互作用很弱，即使在非常近的距离（小于10—13厘米）也仅只有电磁相互作用（和弱相互作用），与汤川秀树预言的介子毫无相同之处，因此与汤川秀树的理论无关。

μ子也是一种不稳定的粒子，平均寿命2×10—6秒。实际上，μ子更像是一个电子，一个重得多的电子，它们之间的差别仅在于质量的不同。1948年，中国物理学家张文裕教授发现，μ子可以取代原子中的电子，形成一种特殊的原子，称为μ原子。

我们现在把电子、μ子和中微子等都归为“轻子”（lepton）的粒子族。轻子不参加核内的强相互作用，但参加弱相互作用（如β衰变）和电磁相互作用；而且现有资料都表明，轻子没有内部结构，是真正的基本粒子。质子、中子和π介子等则属于“强子”（hadron）粒子族，因为它们都参与强相互作用，而且都有内部结构，是由更基本的粒子构成的。

汤川秀树后来的经历简单介绍如下：汤川于1939年从大阪回到了京都，接受了那里的教授职位；同年，他首次出国，但由于欧战爆发而匆匆返回。1940年，他被授予日本学士院奖，并在1943年又获日本的最高奖赏“文化勋章”。战后在普林斯顿待了一年，成为普林斯顿高级研究院的一员。

1949年汤川获得诺贝尔物理学奖。在颁奖时沃勒教授致词说：

许多年来，自然科学的一个重要目标是解释我们观察到的由基本粒子性质产生的现象，在现代物理中这一问题是很重要的。在最近10年内，人们对称作“介子”的基本粒子特别感兴趣。介子是一种比电子重但比氢原子核即质子轻的粒子。

……汤川秀树教授，在1934年当您仅27岁就大胆地预言了新粒子的存在，现在它被称为“介子”，并预期它对于理解原子核内部力的作用具有重要意义，近期实验已为您的主要理论提供了极好的证据，这些理论获得过巨大丰收，而且现在仍是原子核、宇宙射线理论和实验研究的路标，您还在其他基本理论问题上做过重大贡献，并在使您的祖国在现代物理研究占据很高地位上起了巨大作用。

我代表瑞典皇家科学院，对您天才的工作表示祝贺，现在请您接受国王陛下授奖。

汤川接着做了诺贝尔演讲，在演讲词的结尾他谈到未来的探索：

这样，介子理论在这15年内改变了许多，可是仍然存在很多问题没有解决。在其他方面我们对比π介子重的介子知道甚少。我们还不知道重介子在极短的距离内是否与核力有关。介子理论目前的形式免不了遇到各种困难，尽管相对性量子场论最近的发展成功地排除了其中的一部分困难。我们还不知道剩下的那些是否是由于我们对基本粒子结构的无知。在我们达到对核结构和各种现象（这将发生在高能领域）的完整理解前，或许还得对这一理论进行另外的修改。