欧洲从本世纪初开始的量子革命，在五十年前的1935年，其触角成功地伸进原子核；那一年，日本的汤川秀树建树了核力的介子理论。恰好在十年后，却对着日本释放了原子核力*；这真是一种历史性的嘲弄。然而，这样一个与欧洲联系甚少的国家是如何摆脱昔日封建主义的桎梏而崭露头角，其理论物理学的研究成就那么快地上升到第一流水平？在离科学发达中心那么远的国家里，其基本粒子理论的早期发展产生怎么样的影响？
汤川秀树因所受的训练和早年与京都大学和大阪大学的同事们所做的研究工作，而于1935年作出介子预言，并于1949年获取诺贝尔奖金；汤川等人给出了某些问题的答案。本文除了描述介子理论的背景外，还说明“介子疑难”问题；所谓“介子疑难”，其起因是：将汤川介子与在1937年从宇宙线中发现的μ子错误地鉴定为同一种粒子；从而引起严重的混淆，直到1947年发现了真正的介子（π介子）为止。在这段时间里，汤川和他的同事们致力于发展介子理论，为通往基本粒子物理学的新领域开辟蹊径。为清楚起见，我们列出编年表（表1）。
早期背景及其对汤川的影响
汤川秀树于1907年生于东京，原名小川秀树（Hideki Ogawa）。后来他入赘岳丈家，妻子姓汤川，名唤寿美（Sumi）。没有儿子的家庭招赘女婿，是日本通行的一种习俗。秀树一岁那年，小川家搬到京都，在那里他的地质学家父亲小川涿治（Takuji Ogawa）就任京都大学地理学教授。父亲属日本第一代科学家之列，在明治维新时期（1868 ~ 1912年）曾就教于欧洲学者。日本在闭关自守两个多世纪以后，重又恢复跟西方的交往，开始走向现代化。小川涿治是日本在量子时期之前最伟大的物理学家长冈半太郎的同代人，长冈于1903年提出原子的核模型，比卢瑟福模型建立早八年。长冈在留学德国以后，将麦克斯韦的土星光环理论用于探讨电子绕正电核的运动。汤川在高中念书时，因倾慕长冈盛名而钻研物理学。及至1933年，长冈出任大阪大学校长，汤川在该校当讲师。
在学生射代，汤川迷恋于中国道家老子和庄子的著作；道家与孔子不同，将自然界代替人以作为宇宙的中心。这一点再加上汤川禀性的内向，促使他在人类问题的复杂性之外，去寻求自然界的和谐与简洁。大约就在那段时期，1922年，阿尔伯特 · 爱因斯坦访问L1本；这次访问是尽人皆知的。爱因斯坦以前的一位学生石原纯出版了有关相对论的几篇论文和一本书，从而在日本推行了爱因斯坦的学说。在爱因斯坦逗留日本期间，科学界人士中遇到他的有长冈、石原和玉木。而汤川曾在玉木英彦的指导下学习理论物理学（在京都大学）。虽然年轻的汤川在爱因斯坦访日期间没有见到他，但是公众对于爱因斯坦访日的欢呼声却是对汤川攻克物理学的一种鼓动。
汤川秀树属日本第二代物理学家之列，他几乎完全是由日本教师培养出来的。在京都，他与朝永振一郎上同一所高校。朝永因在二次大战期间所做的量子电动力学方面的工作而赢得1965年的诺贝尔物理学奖、这项贡献是在费曼和许温格进行类似工作之前几年作出的。汤川和朝永在京都大学学习物理学（1926 ~ 1929年），他们两人的父亲都是教授。在高年级，他俩在没有课堂讲授的情况下互相帮助，一起学习新量子力学。
汤川和朝永在毕业后，作为玉木教授的无报酬助手留在京都大学；之所以不支付报酬，是因为经济萧条。他们在狄拉克首创的量子场论的新开拓领域里继续其理论研究。在那段时间里他们到东京去听狄拉克和海森堡的演讲，后来又在京都听仁科芳雄所作的一系列量子力学讲座。日本人对于核物理和宇宙线物理的研究是由仁科从欧洲回国后（大约在1930年前后）开创的；在欧洲八年，他大部分时间在哥本哈根与尼尔斯 · 玻尔一起工作。人们承认他对提出关于电子辐射的康普顿散射的克莱因 - 仁科公式的贡献，此式是证明狄拉克电子理论正确性的最早依据之一。
1932年汤川结婚，是年担任京都大学的讲师，一年后到大阪大学当讲师。当时菊池正在大阪大学设计一台核加速器。朝永也离开京都，到东京参与仁科实验室的工作。1932年，在物理学范围里出现许多变化：英国的查德威克发现中子；安德森在加利福尼亚发现质子；尤里在哥伦比亚大学发现氘核（质子和中子的结合粒子）；在英国，由原子加速器实现了第一次核裂变。同年，海森堡提出核的中子 - 质子模型：核内的中子和质子由共有的电子维系一起；这类似于氢分子的结合机制。他能估算出表现为α能和γ能的确定的核能级，但不能说明β衰变后电子能量的连续变化（此时能量显然是不守恒的）。
汤川的核力理论及其介子预言
汤川首次发表的作品是海森堡关于核结构的论文的日译本，其引言中提及还没有合适的核力理论。尔后他企图修改海森堡理论，凭借一种电子交换的场来解释核力；这种场类似于狄拉克光子场：通过在荷电粒子之间交换光子的方式以解释电磁力。但是，他对此并不满意，因为这是长程力，而且交换电子引起自旋量转移。这些观点不符合事实。当这些观点于1933年提呈日本数理学会时，仁科建议，对于核力的这种交换场，无自旋粒子可能比电子会起更好的作用。
1934年，费米发表β衰变理论：衰变时，因同时产生一个电子和一个无质量的中微子而使能量和自旋量均守恒；这正如泡利早年所建议的那样。中微子令人怀疑，但用它可解释衰变的起因。不久以后，苏联物理学家塔姆和伊凡宁柯试图用交换电子 - 中微子对的方式来解释核力；但他们发现，由此产生的力太弱，以致不能提供核内中子和质子的结合作用。虽然这种观念并未引出好结果，但由此而启发汤川看清建立可能成功的核力理论的下一个步骤。
汤川以引人注目的方式扩展了海森堡和费米的思想。早在1934年10月，在他第二个孩子出世后不久的一个不眠之夜，他想出了如何产生自旋为零的粒子（可能是承担核力的场量子）。他认为，这种场粒子引起的作用力的力程必然与粒子质量成反比，没多久他便确定其质量约为电子质量的200倍。在与大阪大学的同事们的一次会议上他报告了这种想法；菊池提醒说，这种粒子可能会出现在进入云室的宇宙线中。汤川将此理论提交数理学会，并在下一个月写成论文（学会于1934年11月30日收到）。1935年，学会会刊上刊载了这篇论文。
因为费米的β衰变机制用于核内结合力时，结合力显得太微弱，汤川便代以一种新的力场；这种力场跟电磁场相似，但与中子和质子的相互作用很强，他把该力场的势表示成
-g2exp(-kr)/r
其中，g是由作用长度决定的耦合常数；k是核力程的倒数，汤川取其值为2×10-13 cm。请注意这种势与点电荷所产生的势的差别。上式中，在1/r上迭加一随r下降快得多的指数因子。这引起短程力，因此在几个核子直径以外核力可予忽略。汤川从一标量场U的经典波动方程推导出上述形式的势。他以半经典的方式表示自己的理论，把作为经典U场的源的核子进行量子力学描述。由此得出k=mUc/h于是算得场粒子质量可能为
mU=hk/c=200me
其中h是普朗克常数的2π分之一；c是光速；me是电子质量。核场的这种量子与适用于电磁场的狄拉克场论中的虚光子相似，但预言其自旋为零，因为U场是标量场（“标量”的意义见表3）。电磁场的“媒介物”是光子。光子的质量为零，这导致电磁场的长程作用。核场的“媒介物”是质量为电子200倍的一种粒子。只要核子几乎相撞，这种有重媒介粒子就会在核子之间产生、交换和吸收。
汤川称他的新粒子为“重量子”或“U量子”（见表2）。“介子”（meson）这个名称是由印度物理学家H. 巴巴于1939年引入的，意指其质量介于电子和质子之间。汤川的理论容许带有正电荷或负电荷的介子存在。汤川在同一篇论文中阐明，如何通过介子与电子和中微子的相互作用导出β衰变的费米结论；这种相互作用的耦合常数小得多，从而将此弱作用力与强核力区分开来。汤川还提到，对自由介子的观测需要高能宇宙射线。
胶合核的介子所要求的质量也可以由测不准原理来确定，该原理与交换作用的性质无关。为了产生核力，一核子与另一核子交换一个介子。第一个核子必须实际产生此有重介子，那么显而易见的是，它所包含的质能（大约1800 me）减少了200 me。但是对核子的测量始终未发现有一个质量低200 me。的差值，大约超过10%。介子为什么可以产生并与另外的核子相互作用而不违背质能守恒定律？因为海森堡测不准原理容许这样的情况发生。对于一个短暂间隔Δt，体系的能量可能存在一不确定量ΔE，以使ΔEΔt≥h。在Δt内，以近乎光速飞行的粒子通过距离R=cΔt。令R为核力程，并令核子体系的能量的不确定量等于所产生的介子的质量：ΔE=mUc2。那么，从海森堡原理得出：ΔEΔt≈(mUc2)(R/c)≈h。所以，介子的质量必为：mU≈h/Rc，而R=2×10-15 m，由此得出
mU≈(1×10-34 J · s)/(2×10-15 m)(3×108 m/s)=1.7×10-28 kg≈200 me
Δt——核交换时间，约为10-23 s。对于这一段短时间，能量可能存在一个不确定量，其值约等于电子质量的200倍。介子可能在两核子之间产生、交换并吸收，一点也不违背能量守恒定律；这正如我们所测量到的情况一样。这样的过程称为“虚”交换。
宇宙线中的发现和介子理论的发展
在作出介子预言的头两年（1935 ~ 1936年），汤川写了几篇论文，在日本出版了第一部著作《β衰变理论》。起初他的工作被西方忽视了，在那里新粒子观念被抵制，而是赞成修改理论，甚至抛弃守恒定律。当狄拉克从其理论中引出反电子概念时，他将反电子与质子认作一体，直到安德森发现正电子为止。泡利在将自己的中微子概念付诸刊印的文字之前等待了三年。日本科学还未广泛普及，即使在介子理论逐渐为人们所知以后，国外仍然几乎没有人在尚无新粒子实验证据的情况下乐于接受这种理论、唯有仁科、朝永以及汤川的几位同事支持他的理论。
1937年春天玻尔访问日本，在京都与汤川和仁科会面。他们讨论了介子理论，但是玻尔并不注意引入一种未知粒子的思想。还未等到玻尔回国，关于从宇宙线中发现了一种新的荷电粒子的报道已从美国传到日本；安德森和尼德迈尔对宇宙线作了研究，测出该新粒子的质量为200 me。在东京的仁科实验室分析了云室照片，证认出这种新粒子的径迹（图1）。
1937年7月汤川提交一篇论文，其中提出：他的重量子可能与新的宇宙线粒子是同一种粒子，于是将其称作“宇宙介子”。在此一个月前，奥本海默和塞伯在一篇可能是首次参照汤川论文的（日本）国外文献中提出同样的建议。奥本海默对汤川的理论将信将疑，但还是把这种粒子命名为“汤川子”（yukon）或“介粒子”（dynaton）。而巴巴不仅提出了被人们所接受的名称“介子”，而且还第一个应用汤川理论以研究宇宙线，提出一种计算介子半衰期的方法。尽管最后弄明白，把宇宙线粒子和汤川的介子当作同一种粒子是错误的（如下面所述），但认为已揭露这二者为一体的看法持续地影响了物理学家们近十年的时间。
汤川继续发展介子理论，正如从他的原始论文的标题：“论基本粒子的相互作用（Ⅰ）”出发所预期的那样，介子理论的发展打开了高能粒子的一个新天地。他与一些合作者（包括他以前的学生在内）一起，进一步发表了三篇题名相同、但序号为（Ⅱ），（Ⅲ）、（Ⅳ）的论文。在第二篇论文中，汤川和坂田昌一断定，从具有零自旋、正宇称（空间反演对称）的介子的标量理论得出，氘核内核子之间的作用力是排斥的，因此该理论需要作进一步的修正。他们还探讨了双介子交换问题，从而提出需要一种中性介子。
在第三篇论文中，汤川、坂田和武谷三男建立了具有整数自旋的粒子的矢量介子理论；对于荷电的和中性的这两种介子来说，证明了核力的电荷无关性。他们还利用巴巴假定，首次估算出介子的衰变寿命。由汤川、坂田、武谷和小林于1938年8月提交的第四篇论文，包含介子的产生和衰变、核磁矩等多个论题，对于不同介子的自旋和宇称的组合态的原始标量理论的各种可能的变更进行系统的研究。当时还没有足够的实验资料以确定正确的组合态，但汤川的工作开始&国内外受到比较普遍的肯定，因此他后来因其理论工作成就而从大阪大学获得物理学博士学位。
“介子疑难”和汤川介子的发现
介子理论发展的那段时间正是日本的军国主义和帝国主义泛滥的时期。许多日本知识分子担心，法西斯主义的泛滥会妨碍研究工作，就像在德国已经发生的情形那样。汤川未予卷入，然而他的一些同事为反抗帝国主义而竭尽全力；因1937年对中国的侵略而使研究工作受到很大干扰。1938年9月，武谷因被指控有反军国主义和马克思主义的观点，以及涉及对介子理论的方法论研究（以辩证唯物主义提供粒子学说的唯物主义基础）而被逮捕。几个月后释放，尔后他受汤川的监护，当时汤川正管理其研究工作。
1939年汤川离开大阪大学，到京都大学接任教授职位，前任教授是玉木。在那段时间里汤川和坂田改进了对于介子衰变的计算结果，得出其寿命为10-8 s。但对宇宙线介子的几次测量表明其平均寿命为10-6 s，比理论所要求的长100倍。然后，汤川和冈山计算了介子在铅中停止的时间。从而明白，在它可能衰变之前或许已被俘获；这与所观测到的宇宙线介子的穿透能力不相符合。
第二次世界大战期间，几乎所有的日本科学家都被动员起来进行军事方面的研究。可是，有一批物理学家，大约有20个人，组成非正式的“介子协会”，在大战期间举行了几次会议，讨论介子理论中的疑难问题，这些会议的成果之一是：1942年，坂田和井上在国内发表了双介子理论；但直至战后，该理论并未以英语面世。坂田和井上假定，一个汤川介子（自旋为零）很快地衰变成一个中微子和一个宇宙线介子（二者的自旋均为1/2），后者再较慢地衰变成一个电子（或正电子）和两个中微子。“介子协会”讨论的另一个成果是：朝永在1943年建立了一个更协调一致的量子场论；该理论与许温格于1947年建立的协变场论相当，为此两人都获得1965年诺贝尔奖金。
1947年初，费米、泰勒和韦斯科夫能够解释意大利的康弗西"的发现：宇宙线介子与物质的相互作用很弱；于是指出，它们不可能就是汤川预言的那种引起核力的介子。1947年5月，由美国的马尔夏克独立地提出的双介子理论为鲍威尔及其布里斯托尔大学的同事所验证，他们采取用照相乳胶研究宇宙线的新方法。尔后他们发表了两幅照片，每一幅都显示：在同一点，一介子停住，而一较轻的介子产生。这两个粒子的质量都超过200 me，然而从第二个粒子的反冲能量得出，较重的介子衰变成质量约小50 me的较轻的介子。轻的μ介子（或称μ子）被证认为早先的宇宙线介子，而较重的π介子才被鉴定为汤川介子；这些情况与双介子理论所预言的相同。因为μ子的相互作用弱，它们并非真正的介子。我们现在知道其质量比电子大。
在此发现一年后，伯克利的新回旋加速器中大量产生了π介子，其主要性质很快地被识别。1950年发现中性π介子。截至1951年的几个实验揭示：所有π介子都具有零自旋和负宇称，所以把它们证认为赝标介子。另外许多重介子也发现了，其中包括由汤川的矢量介子理论所预言的非零自旋的矢量介子。这些新介子的发现标志着核物理进入新的发展阶段（见表2）。
结论
汤川的核力理论和他在1935年所作的介子预言清楚地显示了日本人对物理学贡献的重要性。纵观五十年历史，对于东方这种革新创造的非凡面貌是值得回顾的。人们认为，日本人不仅很快地吸收了欧洲科学，而且摆脱了西方物理思想的限制，引入除电子、质子和中子以外的新粒子。欧洲物理学家曾以实证主义原理和“奥坎氏简化论”的中世纪传统观念：“实体不应该具有不必要的多样性”为其指导原则；而按照日本人的经验，允许思考问题有较大的灵活性。
汤川因其介子理论而为人们所拥戴，他在日本倡导直观性和创造性的研究方法。这一点在日本以后的基本粒子理论发展过程中是有目共睹的。西岛和彦独立地引入奇异性概念（与盖尔曼的工作无关），这就是一例。1956年，坂田的三基础费米子（“坂田子”）理论为盖尔曼的夸克理论提供了线索；在夸克理论中，介子由夸克 - 反夸克对构成，重子由三夸克构成。汤川和他的日本伙伴们建树了核力的介子理论并导出其推论，从而显示了以胆略和毅力进行创造性和直观性研究的成效。
[The Physics Teacher，1985年5月]