1949年获得诺贝尔物理学奖汤川秀树。图源：维基百科
导读：
日本科学家汤川秀树在1949年获得诺贝尔物理学奖，成为日本首位诺奖得主。他受曾在欧洲留学的仁科芳雄的影响，投身于新兴的原子核物理学研究，其提出的介子理论，在粒子物理学的发展中具有里程碑的意义。他的工作也激励了其学生坂田昌一继续在粒子物理学领域深入研究，提出强子理论结构“坂田模型”，并首次提出了中微子味混合的基本思想。汤川力挺坂田获得诺贝尔奖，遗憾的是，坂田因病早逝，与诺奖无缘。
无论是汤川秀树创建的汤川学派，还是坂田昌一创建的名古屋学派，都在持续影响着日本物理学界，也成为全球粒子物理学界不可忽视的力量。
本文为资深科普作家邢志忠在《赛先生》的专栏“标准模型小史”的第四篇。
邢志忠 | 撰文 
中子在实验上被发现以后，许多理论物理学家开始猜测：一定存在一种特殊的短程核力，其强度足够大，起码能够克服原子核中质子之间的库仑排斥力，从而将质子和中子牢牢地束缚在直径仅为毫微微米（femtometre，即1fm）量级的狭小空间内。这种吸引性的强核力显然不需要经典物理学中所假设的“超距”作用，因为它的力程足够短。但是核子（即质子和中子）之间如此强烈的相互吸引是如何实现的呢？
1934年，27岁的日本理论物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）指出，可能存在一种在日语中被称作“中间子”的新粒子，即中文所说的“介子”，负责在核子之间传递短程吸引力。汤川的这一想法意味着，物质之间的相互作用并不是凭空产生的，而是需要力的“传播子”充当媒介。无论力的传播者是否拥有质量，它的运动速度都不可能超过光速，因此相互作用不是瞬时就能完成的，尽管所需的时间通常极其短暂。
汤川的这一标新立异的理论工作，迈出了理解强核力的内禀属性的第一步，不仅使他本人声名远扬，也极大地影响了坂田昌一等后辈，引领后者在粒子物理学领域做出了一系列重要贡献。
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一炮而红的汤川秀树
1907年1月23日，汤川秀树出生于日本东京；但是第二年他的全家就迁到京都，因此有些文献经常错把京都当作他的出生地。值得一提的是，汤川的本来姓氏是小川（Ogawa），1932年因入赘汤川家而改姓，这或许给他带来了好运。汤川于1949年荣获诺贝尔物理学奖后，一跃成为日本第一赘婿。
中学时代的汤川寡言少语，偏爱数学和物理学，甚至自学了当时物理学最前沿的量子论和原子物理学。他虽然并不能完全理解这些前沿科学，但也因懵懵懂懂对物理的兴趣更加强烈。汤川晚年在回忆自己高中二年级就研读德国物理学家弗里茨·赖歇（Fritz Reiche）的专著《量子论》时感叹道：“光凭高中学的物理知识很难完全理解书中在讲什么。正因为有不懂的地方，才觉得赖歇的书很有趣。比之前读过的任何一本小说都有趣”。
1929年，汤川从京都大学物理系毕业，开始着手研究原子核物理。当时的日本主流物理学家受曾经留学哥本哈根和哥廷根、有着“日本现代物理学之父”之称的仁科芳雄（Yoshio Nishina）的影响，认为他们在量子力学的理论研究方面已经无从赶超欧洲，但是在新兴的原子核物理学领域却可以放手一搏，甚至有可能抓住一些后来居上的机会 [1]。因此，汤川的研究兴趣就集中在了如何利用量子力学描述强核力的问题上。
1934年，在大阪大学担任讲师的汤川初步完成了关于强核力的介子理论，并在日本物理学与数学年会上报告了这一工作。与1933年底提出贝塔衰变有效理论的意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）一样，年轻气盛的汤川对自己的介子理论也是信心满满，于1935年初将题为“关于基本粒子的相互作用”（On the interaction of elementary particles）的论文简报投到英国的《自然》杂志。结果他的论文也遭遇了立即被拒稿的厄运。于是汤川不得不像当年的费米那样，于1935年2月在本土的学术期刊《日本物理学与数学学会会刊》（Proceedings of Physical and Mathematical Society of Japan）上发表了该论文的详细版本 [2]。这是他的学术处女作，发表后的头三年反响平平，几乎没有获得任何同行的引用。
汤川在论文中假设，当两个核子之间交换一个质量为m的介子而发生相互作用时，该系统的能量会有一个瞬时的涨落，其幅度可由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的质能关系
来估算。该量子涨落过程大约耗时，这里r表征的是强核力的有效尺度（相当于核子之间的距离，或者原子核的直径），而c为真空中的光速。基于德国物理学家魏尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）于1927年提出的量子力学的测不准原理，
其中
为“约化的”普朗克常量。联立上面几个关系式就可以推算出介子的质量与强核力的有效尺度之间的近似反比关系
。取r~1fm，于是得到m~100MeV。
但是，自然界是否真的存在质量如此大小且传递强核力的新粒子呢？这是检验汤川的介子理论是否正确的关键所在。
1936至1937年，正电子的发现者、美国实验物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）和他的研究生塞思·内德迈耶（Seth Neddermeyer）在宇宙线中发现了一种质量特别接近100MeV的新粒子 [3]，这令整个学术界兴奋异常，都以为这就是汤川所预言的介子。但是进一步的研究却表明，这种新粒子其实是电子的“姐姐”缪子（记为μ），它并不参与原子核的强相互作用过程。
直到1947年，英国物理学家塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）所领导的课题组在宇宙线打击大气层所产生的次级粒子簇射中发现了携带一个单位电荷、质量接近的派介子（记为
）[4]，人们才相信真正的汤川介子终于被发现了。得知鲍威尔的实验结果后，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）立即检查了他们在加州大学的回旋加速器所记录的粒子径迹，从中也发现了派介子的行踪，进一步证实了汤川的理论预言。1949年和1950年，汤川和鲍威尔由于分别在理论上预言和在实验上发现了传递强核力的派介子而先后获得诺贝尔物理学奖。
如今我们知道，携带色量子数的胶子才是传递强相互作用的基本玻色子，它们和夸克一起被禁闭在各种介子和重子（统称为强子）内部；而派介子只是在强子层面上传递强核力的“有效”信使之一。尽管如此，汤川的介子理论就像费米的贝塔衰变有效理论那样，依然具有里程碑的意义，为日后建立强相互作用的动力学做了极好的铺垫。
得知自己即将荣获诺贝尔奖的消息时，汤川还在美国哥伦比亚大学作访问教授。作为日本有史以来第一位获得诺贝尔奖的科学家，汤川内心的骄傲溢于言表。他喜笑颜开地站在办公室的黑板前拍摄的照片，成为这段历史的生动见证。据说，汤川教授离开哥伦比亚大学返回祖国后，他曾经用过的黑板一直为年轻的李政道教授所用，并给李先生的职业生涯带来了好运。1957年，当时还拥有中国国籍、年仅31岁的李政道和35岁的杨振宁因发现弱相互作用宇称不守恒而一同荣获诺贝尔物理学奖。
1953年，已经功成名就的汤川教授在访问美国普林斯顿高等研究院期间，与大名鼎鼎的爱因斯坦有过数次亲密的交流，并留下了极其珍贵的历史照片。这令那些对爱因斯坦深怀敬仰却未曾与他老人家合影留念的年轻学者们无比羡慕。实际上，爱因斯坦于1922年访问日本时，那种万人空巷欢迎科学巨匠的场面，给当时15岁的汤川留下了难以磨灭的印象。他后来回忆说，爱因斯坦的那次旅行在日本播下了现代科学的种子。
2014年5月初，日本大阪大学理学部收到了一份从美国哥伦比亚大学物理系空运过来的珍贵礼物：汤川教授当年用过的那块黑板。汤村教授已经逝世40余年，然而他留下的这块黑板，仍然在供母校日常的学术讨论使用。有几位理学部的教授激动地表示，“一想到汤川先生也用过这块黑板，就觉得备受鼓舞”。作为旁观者，我们或许很难想象在一个没有黑板的世界，理论物理学家们还能靠什么“秀”自己的深刻思想和抽象逻辑。也许黑板就是一个可以随时更新的舞台，上面书写着汤川等杰出的理论物理学家的超乎常人的智慧和想象力。
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坂田昌一的复合粒子模型
早在汤川成名之前，他的身边就聚集了一批有志从事粒子物理学理论研究的青年学子，这个朝气蓬勃的学术团队逐渐演变成具有显著国际影响力的“汤川学派”。在汤川的诸多追随者中，坂田昌一（Shoichi Sakata）最为出类拔萃，他不仅对介子理论、强子结构和中微子混合机制等基本前沿问题都做出了重要的理论贡献，而且像导师那样独树一帜，创立了自己的“名古屋学派”。
坂田于1911年1月18日出生在日本东京，1929年中学毕业后成为东京大学的旁听生。他在那里得到了自己的远房亲戚、日本现代物理学的先行者仁科芳雄教授的点拨。1930年4月，坂田考入京都大学物理系，选择原子核理论作为自己的研究方向。他于1933年完成本科学业，1934年加入大阪大学的汤川课题组。就在那一年的11月，27岁的汤川完成了关于介子理论的首篇论文。于是作为汤川的研究助理，坂田的首要任务就是协助自己的学长兼导师完善和发展介子理论，这是他的科研生涯的重要起点。
1937年，汤川和坂田师生二人合作，发表了一篇探讨核子之间相互作用势的论文，首次提出了除了原始版的带电汤川介子，还存在电中性的派介子（记为
）的想法。1938年，两人与其他合作者接连发表了两篇关于两类汤川介子的基本性质的论文。上述论文构成了汤川介子理论的主体框架，也是汤川学派的开山之作[5]。
就在1938年，汤川本人从大阪大学获得了理学博士学位，并于次年回到母校京都大学担任物理学教授。此时的坂田一边同时在大阪和京都两所大学授课，一边开始了独立的理论物理学研究。1940年，坂田也全职回到母校京都大学。他在这一年所做的最重要的工作是与合作者计算了电中性的派介子衰变到双光子的反应率，以及独自计算了带电介子衰变到正电子和电子型中微子的反应率 [6]。坂田发现，传递强核力的汤川介子很可能不同于安德森等人在1936年所发现的缪子，而这为他不久之后提出“双介子”理论埋下了伏笔。1941年5月，坂田获得了京都大学的理学博士学位。
1942年10月，坂田加盟建校仅三年的名古屋大学，成为该校的理论物理学教授。他在那里秉持民主化的办学精神，创建了基本粒子物理学研究室，该研究室日后成为大名鼎鼎的“名古屋学派”的发祥地。
受到费米和杨振宁于1949年发表在《物理评论》（Physical Review）期刊上的那篇题为“介子是基本粒子吗？”（Are mesons elementary particles?）的论文的影响 [7]，坂田的研究兴趣开始转移到当时实验所发现的各种新强子及其分类的问题上来。1955年10月，他在日本物理学会的年会上做了一场演讲，提出将质子、中子和比两者都重的拉木达超子（记为
）作为基本粒子，而其他强子态都是由这三种粒子及其反粒子构成的复合粒子。这就是著名的“坂田模型”的基本思想，相应的论文于1956年底发表在汤川等人刚创立不久英文学术期刊《理论物理学进展》（Progress in Theoretical Physics）上，题目为“关于新粒子的复合模型”（On a composite model for the new particles） [8]。
名古屋学派的成员们随即开展了针对坂田模型的深入研究，发表了一系列学术论文，使得坂田模型很快获得欧美主流学派的认可，尤其得到了美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）等重量级学者的正面引用。尽管如此，以三种“实”粒子作为基本组分的坂田模型存在一些难以克服的基本问题，比如无法解释为什么由一个质子和一个反中子构成的带电派介子的质量远小于其组分粒子的质量。虽然坂田模型最终于1964年被盖尔曼等人提出的、以禁闭在强子内部的夸克——某种意义上的“虚”粒子——为基本组分的夸克模型所取代 [9、10]，但它代表了强子可能具有更深层次这一科学思想的一次具体尝试，对于揭示强子结构和强核力的属性具有重要的里程碑意义。
除了著名的复合粒子模型，坂田的另一个深远影响的学术工作是首次提出了中微子味混合的基本思想。1962年夏天，受到第二种类型的中微子（即缪子型中微子）在实验上被发现的启发 [11]，坂田与他的同事牧二郎（Ziro Maki）和中川昌美（Masami Nakagawa）研究了电子型中微子与缪子型中微子发生味混合的可能性，即两种粒子的相互作用态分别是其质量态的量子叠加态，反之亦然 [12]。这一重要认知为日后研究中微子振荡现象奠定了理论基础。
1970年9月，日本物理学界的领军人物汤川秀树委婉地写信给瑞典诺贝尔物理学奖评委会的伊瓦尔·沃勒（Ivar Waller）教授，告诉他当年已被提名和推荐获奖的坂田昌一其实健康状况不佳，而且病情正在恶化。三周之后的10月16日，年仅59岁的坂田与世长辞，给日本科学界和诺贝尔奖评委会留下了永远的遗憾。
需要指出的是，网上有观点认为，1969年诺贝尔物理学奖单独颁给默里·盖尔曼，而未授予启发夸克模型的强子模型先驱坂田昌一。这样的表述可能会让人误以为1969年的诺贝尔奖是颁给夸克模型的。实际上，盖尔曼获得诺奖主要是奖励他的SU(3)强子分类工作，而不是夸克模型，因为当时主流学术界对夸克的概念存疑。关于盖尔曼和夸克模型，后续的专栏文章将进一步介绍。
坂田生前未能得到诺贝尔奖的承认，但毋庸置疑的是，他是日本粒子物理学理论研究的先行者之一，并做出了流芳后世的一流工作。坂田去世不久之后，他所创建的“名古屋学派”，取得了登峰造极的学术成就——他招收的两个研究生益川敏英（Toshihide Maskawa）和小林诚（Makoto Kobayashi），在1973年提出了解释物质与反物质不对称（即CP对称性破坏）的标准机制。2008年，益川和小林共同获得诺贝尔物理学奖。
参考文献：
[1]乌云其其格、袁江洋，“谱系与传统：从日本诺贝尔奖获奖谱系看一流科学传统的构建”，《自然辩证法研究》， 2009年第7期，571—63
[2]H. Yukawa, “On the interaction of elementary particles”, Proc. Phys. Math. Soc. Jap. 17 (1935) 48—57
[3]S.H. Neddermeyer, C.D. Anderson, “Note on the nature of cosmic ray particles”, Phys. Rev. 51 (1937) 884—886
[4]C.M.G. Lattes, G.P.S. Occhialini, C.F. Powell, “Observations on the trackes of slow mesons in photographic emulsions”, Nature 160 (1947) 453—456
[5]S. Sakata, “On the establishment of the Yukawa theory”, Prog. Theor. Phys. Suppl. 41 (1968) C8—C18
[6]M. Tanabashi, “Shoichi Sakata: His life and physics: Collections of materials in Sakata memorial archival library”, Prog. Theor. Phys. Suppl. 197 (2012) 1—14
[7]E. Fermi, C.N. Yang, “Are mesons elementary particles?”, Phys. Rev. 76 (1949) 1739—1743
[8]S. Sakata, “On a composite model for the new particles”, Prog. Theor. Phys. 16 (1956) 686—688
[9]M. Gell-Mann, “A schematic model of baryons and mesons”, Phys. Lett. 8 (1964) 214—215
[10]G. Zweig, “An SU(3) model for strong interaction symmetry and its breaking”, CERN-TH-401 and CERN-TH-412
[11]G. Danby et al., “Observation of high-energy neutrino reactions and the existence of two kinds of neutrinos”, Phys. Rev. Lett. 9 (1962) 36—44
[12]Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata, “Remarks on the unified model of elementary particles”, Prog. Theor. Phys. 28 (1962) 870—880
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