湯川秀樹

金揚

湯川秀樹（1907-1981），日本核物理學(xué)家，因為在核力的理論基礎(chǔ)上預(yù)言了介子的存在而獲得1949年諾貝爾物理學(xué)獎.

愛好漢學(xué)

1907年1月23日，湯川秀樹在日本東京出生.一年以后，他的父親去京都大學(xué)擔(dān)任地理學(xué)教授，全家也都跟著搬到了京都.日本京都已經(jīng)有一千多年的歷史，很早以前是日本的首都，歷史十分悠久，湯川秀樹就是在這座歷史古城中長大的.他的父親是一位著名的地質(zhì)學(xué)家和地理學(xué)家，愛好十分廣泛，家中藏書也十分豐富.在書香門第長大的湯川秀樹受到了良好的文化熏陶，從小就喜歡讀書.

日本和中國在歷史上就有很深的淵源，日本人對于中國文化十分仰慕，很多人都接受過漢學(xué)教育.湯川秀樹的祖父曾經(jīng)辦過私塾，講授漢學(xué).他的父親也是從“四書五經(jīng)”開始學(xué)起的，后來一直對中國古代文化典籍十分感興趣.湯川秀樹的外祖父也有很深的漢學(xué)功底，對于儒家的文化十分推崇.在湯川秀樹懂事以后，外祖父就開始教他學(xué)儒家文化，當(dāng)時教授的有《大學(xué)》、《論語》、《孟子》等.一直到了湯川秀樹長到10多歲這種教育才停止.湯川秀樹從小就接受漢學(xué)教育，博大和仁厚的孔孟思想在他的心里扎了根.

湯川秀樹在上高中的時候，又對道家文化產(chǎn)生了興趣.老子的學(xué)說十分玄妙，如“道可道，非常道，名可名，非常名”，也講究辯證，如“有無相生，難易相成，長短相形，高下相盈，音聲相和”“福兮禍之所伏，禍兮福之所倚”.湯川秀樹從小就沉默寡言，這種思辨精神讓他十分入迷.莊子又是另一種風(fēng)格，汪洋恣肆，在他的作品中一個寓言接一個寓言，想象力得到了盡情的發(fā)揮，那種濃郁的浪漫主義色彩讓湯川秀樹一讀起來就欲罷不能.他最喜歡的就是老子的“無為而無不為”，也常?；孟胫茏兂煞鰮u直上九萬里的大鵬.

愛上物理

湯川秀樹對文學(xué)是如此喜歡，他的同學(xué)以為他以后可能會走上文學(xué)道路.湯川秀樹確實也想搞文學(xué)，但他后來之所以走上了研究物理學(xué)的道路，跟愛因斯坦有很大的關(guān)系.

20世紀20年代，愛因斯坦創(chuàng)建了廣義相對論，他斷言時空在大質(zhì)量面前是彎曲的.連時間和空間都會發(fā)生彎曲，這種理論真的是石破天驚，但后來的天文觀測證實這種理論是對的，一夜之間愛因斯坦成了全球最著名的科學(xué)家.世界各國的大學(xué)和科研機構(gòu)都邀請愛因斯坦去訪問，他的演講在每個國家都引起了轟動，雖然大多數(shù)人聽不懂愛因斯坦講了什么.1922年愛因斯坦來到了日本東京，當(dāng)他到達車站時，幾萬人趕來迎接，要親眼看一下這個偉大的人物.愛因斯坦的到來，在日本掀起了一股物理熱，湯川秀樹也是在這個時候把志向轉(zhuǎn)向了物理學(xué)的.

當(dāng)湯川秀樹將要從中學(xué)畢業(yè)時，他的父親不想讓他讀大學(xué)，想讓他去學(xué)些技術(shù).湯川秀樹比較內(nèi)向，不善于交際，去學(xué)技術(shù)似乎很合適.但他母親極力反對，她認為湯川秀樹雖然話少一些，但將來未必沒有出息.他的父親為此有些猶豫，就去向湯川秀樹的校長森外三郎了解情況，問他是什么意見.森外三郎卻說，湯川秀樹非常聰明，將來一定會有前途的，應(yīng)該讓他讀大學(xué).既然校長都這樣認為，父親也就沒什么話說了.

正在這時候，東京發(fā)生了一場大地震，也影響到了京都.日本國的位置正處在地震帶上，經(jīng)常發(fā)生地震，所以國內(nèi)很多人從事這方面的研究.他的父親早年也非常熱愛文學(xué)，但因為一場大地震，使他改變了方向，進入了地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的研究當(dāng)中.現(xiàn)在這場地震又讓父親想起了從前，于是他也想讓湯川秀樹去學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)，為國民造福.父親給了湯川秀樹一本地質(zhì)學(xué)的書，讓他去讀一下，看看有沒有興趣.湯川秀樹也對地震造成的破壞深有感觸，于是就認真地去讀這本書.這時候報考大學(xué)的志愿表發(fā)了下來，湯川秀樹就在上面填了地質(zhì)學(xué).但不久，要成為一名物理學(xué)家的夢又在湯川秀樹的心里升起，他發(fā)覺自己的真正愛好只有物理學(xué)，因此當(dāng)?shù)诙卧偬钪驹副頃r，他堅決填上了物理學(xué).

孤軍奮戰(zhàn)

1926年，湯川秀樹考入了京都大學(xué)物理系，開始專心學(xué)習(xí)物理.他的思想十分開放，一直關(guān)注國際上物理學(xué)的研究方向.對于那些著名物理學(xué)家的情況了如指掌，有什么新成果出現(xiàn)，有什么新思想提出，他都非常清楚.1929年他在京都大學(xué)畢業(yè)后，就留校任教，1933年又到新建的大阪大學(xué)任教，正式開始物理學(xué)研究.

從明治維新開始，日本經(jīng)濟獲得了大發(fā)展，到了20世紀初期的時候已經(jīng)成為東方的強國，但與西方列強相比還差得遠，國內(nèi)的科學(xué)研究也遠遠落后于西方國家.在日本科學(xué)界有一位領(lǐng)導(dǎo)人物名叫長岡半太郎，早年曾經(jīng)留學(xué)英國，看慣了西方人的冷眼，從此他立志要在科學(xué)上超過西方人.當(dāng)他成為科學(xué)界的領(lǐng)導(dǎo)以后，就號召廣大青年學(xué)者發(fā)奮圖強，他希望能在有生之年看到他們作出成績.

湯川秀樹是長岡半太郎的學(xué)生，深受老師的影響，立志要振興日本的科技.當(dāng)時秀樹決心在量子物理學(xué)領(lǐng)域做出成績.但日本的物理研究還是很落后的，量子物理學(xué)更是一片空白，當(dāng)他遇到困難時，也沒人能幫助他.他的父親建議他去國外留學(xué)，這樣可以獲得更快的提高.但湯川秀樹拒絕了這個建議，他決心在日本這個封閉的環(huán)境里孤軍奮戰(zhàn)，憑借個人的力量作出成績，什么時候成功了，再把成果拿給外國科學(xué)家看一看.

奇怪的力

自從原子被發(fā)現(xiàn)以后，人們開始逐漸了解了它的結(jié)構(gòu)：它是由原子核與核外電子組成的，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，核外電子圍著原子核旋轉(zhuǎn).質(zhì)子和電子由于電性不同而互相吸引，但是原子核中的質(zhì)子和中子是怎么結(jié)合在一起的呢？中子不帶電不能吸引質(zhì)子，質(zhì)子帶正電還會互相排斥，但它們卻結(jié)合得非常緊密，這是為什么呢？物理學(xué)家認為這需要一種力，就給這種未知的力取了一個名字——核力.核力不會是電磁力，因為中子不帶電；也不會是萬有引力，因為它的作用范圍非常??；而且它比別的力的強度都大得多，可以把上百個質(zhì)子和上百個中子束縛在一個原子核里.人們知道的就這么多.這種力是如此的奇怪，很多優(yōu)秀的科學(xué)家都為此付出過艱辛的努力，但最終都失敗了.

世界上很多優(yōu)秀的科學(xué)家一直都在思考這個問題，湯川秀樹也常常為此失眠.他的睡眠本來就不好，躺在床上的時候也經(jīng)常在思考問題.于是他就把筆記本放在枕邊，一旦來了靈感就開始寫寫算算.“原子核是怎么結(jié)合在一起的”，如果能想明白這個問題將會是重大發(fā)現(xiàn)，可是現(xiàn)在一點頭緒也沒有.有時候，湯川秀樹為此徹夜難眠，常常躺在床上盯著天花板，一直到天亮.

盡管如此艱難，湯川秀樹始終沒有放棄.湯川秀樹始終銘記長岡半太郎說過的話：如果不能進入先進研究者的行列并作出成績，那么人生就毫無意義.

初戰(zhàn)失利

當(dāng)時物理學(xué)家已經(jīng)知道，電磁力是通過交換光子而引起的一種力.湯川秀樹叢中得到靈感，他認為核力是質(zhì)子和中子在交換電子時產(chǎn)生的.這是通過類推法得出的，已經(jīng)非常接近事實.1933年4月他在日本一個物理學(xué)會上提交了一篇論文《關(guān)于核內(nèi)電子問題的考慮》，在文中他認為核力是由中子和質(zhì)子因交換電子產(chǎn)生的.這是湯川秀樹第一次發(fā)表自己的研究成果，但馬上就遭到了否定.到哥本哈根學(xué)習(xí)過的日本教授仁科芳雄指出，這種想法是不合理的，不符合眾所周知的物理理論.

湯川秀樹通過深入思考后也逐漸明白，這種力不可能是由交換電子產(chǎn)生的，自己的想法確實有問題.答案還是沒有找到，一切又要重新開始，湯川秀樹的心里依然無比堅定，他一定要解決這個問題.

1934年，他從《物理學(xué)報》上看到了費米的一篇文章，費米在文章中完善地描述了某些元素的原子核里不斷放出電子的原因，使人們相信了中微子的存在.費米的理論也許可以解釋核力是怎么產(chǎn)生的，湯川秀樹看完后差點暈倒.難道自己努力奮斗了這么久，卻被別人捷足先登了嗎？湯川秀樹真是不甘心.但事后證明這是一場虛驚，費米提出的不是核力.

這件事讓湯川秀樹有一種緊迫感，他的靈感也在這種緊迫感下被激發(fā)出來.他想，也許我根本就不應(yīng)該用已知的粒子來解釋核力，而應(yīng)該尋找一種新的粒子來解釋它.思路一旦轉(zhuǎn)換，很快就得出了正確的結(jié)論.

四處碰壁

湯川秀樹利用測不準理論和相對論，再考慮到核力作用范圍，經(jīng)過深入思考和周密的計算后解決了這個疑問.他認為：核力是由一種粒子的傳遞產(chǎn)生的，這種粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的200倍，它可以帶正電，也可以帶負電，或者不帶電，電荷量和質(zhì)子的電荷量相等.因為這種粒子的質(zhì)量在電子和質(zhì)子之間，所以湯川秀樹給它起名叫“介子”.1934年11月，在大阪召開的物理學(xué)學(xué)會上，湯川秀樹正式向外界公布了他的介子理論.

但在這個時候物理學(xué)界存在一種不良的傾向，人們不愿意接受新粒子.這時候的物理學(xué)家們認為，基本粒子只有三種——電子、質(zhì)子和中子，沒有其他的新粒子存在.當(dāng)時很多科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了一些新粒子，但他們都不敢承認自己的發(fā)現(xiàn).比如泡利發(fā)現(xiàn)了中微子，過了很久才敢發(fā)表這種見解，但他依然認為自己做了一件蠢事.他提出了中微子的概念以后，立即就后悔了，因為中微子在當(dāng)時無法進行檢驗，無法證明是對是錯，他覺得自己太草率了.狄拉克根據(jù)理論提出應(yīng)該存在一種粒子具有電子的質(zhì)量但卻帶正電荷，但因為輿論都反對新粒子的出現(xiàn)，所以他就違心地稱這種新粒子為質(zhì)子，實際上它明顯與質(zhì)子不同，就是以后被發(fā)現(xiàn)的正電子.當(dāng)時很少有人敢提出有新粒子的存在，人們寧愿相信自己的實驗錯了，或者計算有問題.

在這樣的情況下，湯川秀樹提出了介子理論應(yīng)該說是有些不合時宜的，立刻就有很多人提出了反對意見.當(dāng)時粒子研究領(lǐng)域的權(quán)威人物玻爾和海森堡就不贊成這種觀點.在1937年玻爾訪問日本時，湯川秀樹詢問玻爾對介子理論的看法，玻爾并沒有過多地從理論上審視這個問題，而是反問湯川秀樹：“難道你希望有新粒子出現(xiàn)嗎？”這對湯川秀樹來說是一種沉重的打擊，但他沒有氣餒，他堅信自己是對的.他又把有關(guān)介子理論的論文投稿到美國一家著名的學(xué)術(shù)刊物，審查人正是大師級的人物奧本海默，奧本海默認為不應(yīng)該有新粒子存在，拒絕發(fā)表這篇文章.

舉世矚目

1937年，安德森和內(nèi)德梅厄在進行宇宙射線的實驗時發(fā)現(xiàn)了一些新粒子，經(jīng)過測量得出它的質(zhì)量大約是電子的200倍.當(dāng)時日本與歐洲在科學(xué)上的來往并不多，湯川秀樹的介子理論因為沒有人承認，所以影響不大，他們也沒有聽說過.但當(dāng)奧本海默得知這一消息后卻萬分高興，難道這就是一直在找的介子嗎？這種新粒子和湯川秀樹預(yù)言的介子在質(zhì)量上是如此相近，人們不得不重新審視湯川秀樹的論文.很多人開始接受了介子理論，給這種新粒子起名叫“？滋介子”.

正當(dāng)湯川秀樹為此歡欣鼓舞的時候，意外的消息傳來了.隨著對這種新粒子的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)它不是湯川秀樹預(yù)言的介子，因為它的壽命比預(yù)想中的介子長得多，而且在物質(zhì)中傳播時，也沒有與原子核發(fā)生強烈的反應(yīng).這就不對了，既然介子是在原子核中起重要的傳遞作用的，就應(yīng)該能與原子核發(fā)生強烈的反應(yīng)，但研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)很平淡.于是人們認定，？滋介子絕對不是湯川秀樹預(yù)言的介子，而它也不該叫介子，后來就更名為？滋子.

盡管湯川秀樹的愿望落空了，但科學(xué)家們開始對他的理論重視起來.？滋子的出現(xiàn)也讓人們開始思考這樣一個問題：它與介子的質(zhì)量如此接近，會不會在其他方面也有聯(lián)系呢？科學(xué)家們紛紛提出一些假設(shè)，然后動手去檢驗他們的想法.？滋子的出現(xiàn)使人們開始在尋找介子方面展開了行動，只要介子是真正存在的，人們總會找到它.

在尋找？滋子和介子的聯(lián)系的過程中，有人提出了這樣一種觀點，？滋子是介子衰變的產(chǎn)物.這個假設(shè)非常誘人，而且很可能是正確的，人們只要按著這個思路找到重現(xiàn)衰變過程就找到介子了，但這需要時間.湯川秀樹依舊在默默地等待，這一等就等到了1947年.這一年，英國物理學(xué)家鮑威爾教授，利用放在氣球上的核乳膠研究高空宇宙射線時，記錄下了介子衰變?yōu)?？滋子的反?yīng)過程，終于找到13年前湯川秀樹預(yù)言中的介子.

湯川秀樹的介子理論由此得到了世界的公認，1949年他因此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.他的老師長岡半太郎終于在去世前一年親眼看見了他的學(xué)生獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.湯川秀樹是第一位獲諾貝爾獎的日本人，也是第二位從未到國外學(xué)習(xí)而獲得諾貝爾物理獎的亞洲人.湯川秀樹的獲獎轟動了日本，也轟動了全世界，他的堅持終于獲得了回報.