论基本粒子的相互作用
核力之所以短程,是因为它的传递者有质量——一种新粒子,介子。
把原子核拢在一起的那种力,强到足以压住质子之间的相互排斥——可只要离开一根头发丝那么远,它就消失得无影无踪。汤川用一个大胆的猜想同时解释了这两件事:这种力,是由一种全新的粒子来传递的,而那粒子,很重。
核心想法
到 1935 年,物理学家已经知道原子核里挤满了质子和中子,却卡在一个悖论上。把它们黏在一起的力必定极其巨大——远比那本该把原子核炸开的电斥力还强。可这种力,伸不出原子核本身半步;离开一丁点,它就干脆没有了。究竟什么样的力,近在咫尺时威猛无比、稍远一步就荡然无存?
汤川的回答,借用了电磁学里的一幅图景。在那里,两个电荷之所以能「感觉」到彼此,是因为它们在交换光子——光的粒子。他说,也许,两个核子之所以能感觉到核力,也是因为它们在交换一种属于它们自己的新粒子。妙处就在这里:光子没有质量,这正是电力与磁力能横跨整个宇宙的原因。倘若这种新粒子有质量,那么它所传递的力,就会在极短的距离之外迅速消亡。仅凭已知的原子核大小,汤川甚至能预言出这粒子的质量——约为电子的 200 倍。他只是从「一种力能伸多远」出发,就凭空唤出了一个从未有人见过的粒子。
它是如何诞生的
汤川秀树,是大阪一位年轻的理论物理学家,身处一个那时才刚刚开始被国际听见的日本物理学界。欧洲的巨匠们——海森堡、费米——曾试图让粒子交换电子和中微子来解释核的束缚,可算出来的数字实在太弱了。汤川为这道难题度过了许多不眠之夜,而他那惊人的一跃,是不再翻用已知的粒子、而是发明出那个正确的粒子。
他于 1935 年用英文、在一份日本刊物上发表了此文,此后好几年几乎无人留意。到 1936 年,宇宙射线中冒出了一种质量大致相符的粒子,人们一阵兴奋——可当那粒子被发现几乎不碰原子核、因而不可能是那团黏合剂时,兴奋又变了味。真正的那个粒子——π 介子——直到 1947 年才被捕获。两年后,汤川获得了诺贝尔奖,那是史上第一次有日本科学家获此殊荣。
它为何重要
汤川改变了「力」这个词本身的含义。在他之后,自然界中每一种基本力,都被理解为粒子的交换——而一条简单的规则,把传递者的轻重与力的伸展联系了起来:传递者越重,力程越短。正是这一个洞见,整理了整部现代的「力」之目录,从那让光横跨星系的无质量光子,到那躲在放射性背后的有质量粒子。他还证明了:一位审慎的理论家,仅凭一个悖论和一个波动方程,就能在任何仪器找到它之前,预言出宇宙的一块新拼图。
一个可以想象的画面
想象湖上有两条船,彼此把一个沉甸甸的药球抛来抛去。每一次投掷,都把投的人往后一推、把接的人往前一送——这一来一回的交换,本身就像两条船之间的一种力。再注意一点:因为球很重,你只能把它抛出很短一段,它就「扑通」落了水。两条船必须靠得很近,这游戏才玩得起来。换成一个轻飘飘的沙滩球,你就能把它一抛抛过整个湖面——那便是一种长程的力。汤川的核力,是那场重球游戏;电磁力,则是那个沙滩球。所抛之物的轻重,定下了力能伸多远。
它的位置
汤川站在一场漫长接力赛的中途。麦克斯韦把电磁作用铸成了一个场;量子论又把那个场的量子定为光子;汤川则把这一步推广到一种需要有质量量子的力上,由此开启了「粒子交换」的时代。从他的想法,有一条直线通向弱力的 W 与 Z 粒子、通向夸克与胶子,也通向希格斯玻色子——而正是它的「汤川耦合」(这个以他命名的词,从此固定下来),让其他粒子获得了质量。他当年追寻的那团核黏合剂,如今被看作更深层力的残余;但他所开创的那种思考方式,至今仍是整个粒子物理共用的语言。
导言——核力的难题
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.
描述相互作用的场
携带这个场的量子
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.