宇宙的精灵 #15.4

四

1907年汤川秀树(Yukawa Hideki)出生在日本东京一个知识分子家庭，次年随当地理学教授的父亲迁往京都。外公是一个汉学家，自小教他念中国的儒家经典“四书五经”，他自己上高中时又迷上了中国的道家著作。估计汤川自小除热爱文学外也没表现出什么过人的才华，以至1926年高中毕业时父亲大学都不想让他读，希望他去读技术学校将来混口饭吃得嘞。好在爱子心切的母亲的坚持最终才让他报考大学，由于1922年爱因斯坦访问日本曾掀起过一个物理学热的影响，汤川选择了物理学专业。

汤川1929年大学毕业后就一直在大学任教，同时进行物理学研究。日本这个民族的好处在于，强烈的自卑可以激发出强烈的自尊和自强，不像我们大汉民族，可以用辉煌的历史来平衡现实的失落。汤川的老师长冈半太郎是日本科学界的领军人物早年留学英国饱尝西方人的冷眼，从此立志要在科学上做出令西方人刮目相看的成就，并经此号召他的学生。受此影响汤川的民族自尊强烈到近乎迂腐，父亲建议他出国留学也遭拒绝，决定一定要拿出纯粹Made in Japan的学术成果。可是哪有那么容易哪！当时科学前沿的量子力学在日本都没有人能开出这门课，更别说那种浓郁的学术氛围。汤川只能是自学，并密切地关注世界物理学的发展动态。孤独求败勇气可嘉，但成功的希望在哪里？

1930年代科学刚进入核物理时代，这个机遇恰好被汤川抓住了。核力即强作用力理论的提出一时引起物理学界的广泛关注，什么样的力能使二百多个质子和中子克服电磁斥力而维系在一起？汤川就选择这个课题作自己的奋斗目标。当时知道电磁力是通过交换光子而形成的力，汤川由此想起核力是通过交换电子而产生的力，1933年他提交了一篇名为《关于核内电子问题的考虑》发布了这个观点。其实海森堡在1932年已经提出过这个观点，并且已经遭到否定。

不过思路还是正确的：物体间的相互作用力是交换某种粒子（玻色子）而实现的。汤川进一步研究发现，这种媒介粒子的作用范围与其质量之间有一种反比关系，即质量越小，作用范围越大，反之亦然。光子无静止质量，所以它所传递的电磁作用的范围趋向于无限大。这是由不确定性原理决定的。我们还记得，能量（等价于质量）与时间是一对共扼量，能量（质量）的确定性越大，时间的确定性就越小；由此得知，随机涨落产生的粒子的确定质量越大，其能“偷”来的确定时间就越少，粒子的寿命就越短，作用范围因此就越小，反之亦然。（复习一下“确定性的终结”一章）

而传递使核子结合在一起的强核力之所以不能是电子，因为根据电子的质量计算，交换电子的力的作用范围大约是10~－13米，这个范围就超出了原子核线度的一到两个数量级（图15.2），就是说核力将会干涉到泡利的“家政”，影响到核外电子，这是泡利决不能容许的！为了不得罪泡利，汤川用不确定性原理和相对论原理计算，算出这个粒子大约是电子的200倍，汤川给这种粒子命名“介子”，意思是介于质子和电子之间。1934年11月，汤川在大阪召开的物理学学会上公布了这一理论。这一年他27岁。

图15.2  原子和原子核的线度

前面说过“增加实体”在科学共同体内是犯忌的，因此介子理论一诞生就不招人待见。1937年波尔访问日本，汤川虚心向波老师征求意见。哪怕挑点毛病臭批几句也好受点，波尔只反问了一句：“难道你希望有新粒子出现吗？”——好像汤川是多么不懂事的孩子。汤川仍不气馁，反正丢一次脸是丢，丢两次也是丢。他又把关于介子的论文投稿到一家美国著名的学术刊物，审稿人是奥本海默，心同此理，他也认为新粒子是难以接受的，文章不予发表。汤川又受重创。

正当汤川心灰意冷的时候，一项偶然的发现又让他柳暗花明。安德森真是伟大，他1932年的发现证实了狄拉克的空穴理论，1937年，他在宇宙线的实验中又发现了一种新粒子，它的质量大约是电子的200倍。当初枪毙汤川论文的奥本海默大吃一惊，难道这个日本人的预言还是真的？大师失手往往更有轰动效应，汤川的介子一夜之间就大红大紫起来。大家怎么看怎么像，逐渐也接受了下来，有人还给这种新粒子起了个土洋结合的名字叫“μ介子”。

可能是劫数未到，命运把升上巅峰的汤川又摔回到深谷。1945年，德意日轴心国已经到了崩溃的边缘，法西斯统治下的意大利，三位意大利年轻的物理学家为逃避被送上战场，躲在一个地下实验室做核物理实验，发现所谓的“μ介子”与中子的质子的相互作用力很弱，根本就无法提供核子间的结合力。物理共同体发现送错了金匾，忙把它摘下来，抹掉那个“介”字，把这种粒子叫作“μ子”。

不过μ子与汤川预言的介子质量也太接近了，难道仅仅是巧合？就有人猜想：μ子会不会是介子衰变的产物。这个想法很诱人也很合逻辑，但要拿到经验证据似乎是一件撞大运的事情，汤川唯有无望地等待。直到1947年，英国物理学家鲍威尔利用核乳胶照相术研究宇宙射线时，发现胶片记录下了介子衰变为μ子的全过程，汤川的介子理论在提出的13年后终于得到了证实！

这种介子以后被命名为“π介子”。汤川秀树因为这个理论发现获得1949年的诺贝尔物理学奖，成为日本的第一个诺奖获得者，也是第二个亚洲本土教育的诺奖获得者。第一个是印度的拉曼，他发现的“拉曼效应”与康普顿实验一样证实了光量子假说，他因此获1930年的物理奖。长冈半太郎老师终于在他去世的前一年见到了自己的学生站上了诺奖的领奖台，日本科学跻身世界一流的行列！1950年，鲍威尔也因为他的核照相术和介子的发现获诺贝尔物理学奖。

注：文中“10~－13”为10的负13次幂。不知为什么，字体的上标有时行有时不行？