論基本粒子的相互作用
核力之所以短程,是因為它的傳遞者有質量——一種新粒子,介子。
把原子核攏在一起的那種力,強到足以壓住質子之間的相互排斥——可只要離開一根頭髮絲那麼遠,它就消失得無影無蹤。湯川用一個大膽的猜想同時解釋了這兩件事:這種力,是由一種全新的粒子來傳遞的,而那粒子,很重。
核心想法
到 1935 年,物理學家已經知道原子核裡擠滿了質子和中子,卻卡在一個悖論上。把它們黏在一起的力必定極其巨大——遠比那本該把原子核炸開的電斥力還強。可這種力,伸不出原子核本身半步;離開一丁點,它就乾脆沒有了。究竟什麼樣的力,近在咫尺時威猛無比、稍遠一步就蕩然無存?
湯川的回答,借用了電磁學裡的一幅圖景。在那裡,兩個電荷之所以能「感覺」到彼此,是因為它們在交換光子——光的粒子。他說,也許,兩個核子之所以能感覺到核力,也是因為它們在交換一種屬於它們自己的新粒子。妙處就在這裡:光子沒有質量,這正是電力與磁力能橫跨整個宇宙的原因。倘若這種新粒子有質量,那麼它所傳遞的力,就會在極短的距離之外迅速消亡。僅憑已知的原子核大小,湯川甚至能預言出這粒子的質量——約為電子的 200 倍。他只是從「一種力能伸多遠」出發,就憑空喚出了一個從未有人見過的粒子。
它是如何誕生的
湯川秀樹,是大阪一位年輕的理論物理學家,身處一個那時才剛剛開始被國際聽見的日本物理學界。歐洲的巨匠們——海森堡、費米——曾試圖讓粒子交換電子和微中子來解釋核的束縛,可算出來的數字實在太弱了。湯川為這道難題度過了許多不眠之夜,而他那驚人的一躍,是不再翻用已知的粒子、而是發明出那個正確的粒子。
他於 1935 年用英文、在一份日本刊物上發表了此文,此後好幾年幾乎無人留意。到 1936 年,宇宙射線中冒出了一種質量大致相符的粒子,人們一陣興奮——可當那粒子被發現幾乎不碰原子核、因而不可能是那團黏合劑時,興奮又變了味。真正的那個粒子——π 介子——直到 1947 年才被捕獲。兩年後,湯川獲得了諾貝爾獎,那是史上第一次有日本科學家獲此殊榮。
它為何重要
湯川改變了「力」這個詞本身的含義。在他之後,自然界中每一種基本力,都被理解為粒子的交換——而一條簡單的規則,把傳遞者的輕重與力的伸展聯繫了起來:傳遞者越重,力程越短。正是這一個洞見,整理了整部現代的「力」之目錄,從那讓光橫跨星系的無質量光子,到那躲在放射性背後的有質量粒子。他還證明了:一位審慎的理論家,僅憑一個悖論和一個波動方程,就能在任何儀器找到它之前,預言出宇宙的一塊新拼圖。
一個可以想像的畫面
想像湖上有兩條船,彼此把一個沉甸甸的藥球拋來拋去。每一次投擲,都把投的人往後一推、把接的人往前一送——這一來一回的交換,本身就像兩條船之間的一種力。再注意一點:因為球很重,你只能把它拋出很短一段,它就「撲通」落了水。兩條船必須靠得很近,這遊戲才玩得起來。換成一個輕飄飄的沙灘球,你就能把它一拋拋過整個湖面——那便是一種長程的力。湯川的核力,是那場重球遊戲;電磁力,則是那個沙灘球。所拋之物的輕重,定下了力能伸多遠。
它的位置
湯川站在一場漫長接力賽的中途。馬克士威把電磁作用鑄成了一個場;量子論又把那個場的量子定為光子;湯川則把這一步推廣到一種需要有質量量子的力上,由此開啟了「粒子交換」的時代。從他的想法,有一條直線通向弱力的 W 與 Z 粒子、通向夸克與膠子,也通向希格斯玻色子——而正是它的「湯川耦合」(這個以他命名的詞,從此固定下來),讓其他粒子獲得了質量。他當年追尋的那團核黏合劑,如今被看作更深層力的殘餘;但他所開創的那種思考方式,至今仍是整個粒子物理共用的語言。
導言——核力的難題
Now such interaction between the elementary particles can be described by means of a field of force, just as the interaction between the charged particles is described by the electromagnetic field. … In the quantum theory this field should be accompanied by a new sort of quantum, just as the electromagnetic field is accompanied by the photon.
描述相互作用的場
攜帶這個場的量子
Assuming λ = 5 × 10¹² cm⁻¹., we obtain for mU a value 2 × 10² times as large as the electron mass. As such a quantum with large mass and positive or negative charge has never been found by the experiment, the above theory seems to be on a wrong line. We can show, however, that, in the ordinary nuclear transformation, such a quantum can not be emitted into outer space.