1935年在日本诞生了核力介子理论。1945年也是在日本释放了核力。1935年汤川秀树宣布了一种新的基本粒子的预言，其质量在电子质量和质子质量之间后来命名为“介子”，意思是说介乎于中间的粒子，用来解释在原子核里结合核子的力（质子和中子）。介子已成为三种基本粒子之一，另外还有baryon（重子、包括核子）Lepton（轻子如电子和中微子）。然而介子和重子不再被看作是最基本的粒子，因为今天它们被认为是由夸克构成。

虽然汤川秀树从来没有离开过日本去国外，可他在预言介子存在时，他和同事的研究有助于展开了20世纪初西方科学的国际扩展。1949年，汤川秀树获得诺贝尔物理奖时，他已经在日本建立了兴盛的基本粒子物理计划。一个与欧洲如此隔绝，还仅仅是从封建的经历中刚诞生的国家是怎样迅速地跨入了理论物理的前列的呢？

回顾日本在前半世纪对现代物理的贡献，树立了一个非西方国家迅速地吸取西方科学的卓越典范。日本的这些贡献也揭示了科学的丰富过程，可能是由于不同文化传统相互补充的结果。

经过两个多世纪的几乎完全的隔离之后，1953年，日本遵照海军上将佩里的命令，开放港口，恢复与西方的关系。明治复辟时期（1868—1912）武士集团所统治的封建阶级制度被废除，开始了现代化过程。明治复辟的领袖们相信进步的可能与必要，虽然牛顿学说综合之后200年他们才开始改革，可他们也能够比西方快得多地构成现代科学。在专业科学上，模仿欧洲，他们只用了50 ~ 100年的时间。明治时期的日本，邀请了外国的教育者和科学家，大批学生被派往国外学习。在此时，日本政府开办了东京大学（1877）和京都大学（1897），这两座学府都特别强调自然科学的学习，整个日本聘用6000名外国人任教。

1880年后，一些外籍教师被在国外学习过的日本人所代替。19世纪的后20年里，东京大学培养了约100名物理毕业生。同时在美国有大约200名实习物理人员。1890年，德国的崛起给3本的领袖们留下了深刻的印象，他们也开始在教育和其它领域以德国为效仿的榜样。

内部因素对于日本吸取西方科学方面也起了一定的作用。日本的第一代物理学家、出身武士家庭，受教育于19世纪，在研究物理之前，曾受武士教育，传统的武士课程集中对中国古典著作的各种军事艺术的学习上。就个人的修养来说，死记硬背中国哲学，而不注重于理解。7年时间掌握九部孔子著作中的五部，而后武士进一步学习用中文测试。这样，日本人学习的模式即：从国外得到源泉，用外语学习知识。这就使他们能较容易从一种外国世界观转移到另一种世界观，从孔子强调美德品行的人道主义到西方强调经验性知识的自然主义。

虽然，日本最早的物理学家可能一直在准备着吸取新知识，可他们并没有准备进行革新。三位早期的日本物理学家对于现代物理的发展做出了贡献，这就为汤川秀树和他的同事的研究奠定了基础。

汤川秀树之前的日本物理

日本最早得到国际承认的物理学家是长冈半太郎。在欧洲期间（1893—1896）他在玻尔兹曼、赫姆霍尔兹、普朗克和其它人的指导下学习。他用英文德文发表约10篇文章。W00年，他被邀请回欧洲，在巴黎首次国际物理会议上发表了一篇有关磁致伸缩的论文，回东京后，由于获悉玛丽 · 居里宣布了放射性的结果，他开始对原子结构产生了兴趣。1897年，电子的发现使得J. J · 汤姆森提出了“葡萄干蛋糕”型原子，包括电子在带正电的球体里运动（Thomson1904）。几乎同时长冈提出了核式结构模型，一巨大带正电原子核被一圈电子围绕——比卢瑟福所提出的建立在散射试验基础上的核式结构模型早8年。

长冈提出的原子“土星”模型，包括许多电子，这些电子以相同的角度间隔，围绕着带正电的原子核。他用马克斯韦尔的土星光环的理论来确定稳定的必要条件。他只得假定在原子里有几千个电子，卢瑟福的实验却指出电子要少于100个。卢瑟福说道：“长冈从数学的角度来考虑‘土星’式原子核的性质……他表示，如果引力是巨大的，这样的体制是会稳定的。”卢瑟福与长冈的一致，表明“土星”式模型，显然对他自己的研究影响极小。

核式模型（1913）最后建立在玻尔量子理论的氢原子上。长冈的研究增强对日本科学的信心起了巨大影响、到1950年去世时，他发表了三百多篇文章，亲眼见到了日本获得第一个诺贝尔奖，此奖授予了汤川秀树。

石原纯是发展新相对论和量子理论的第一位日本物理学家，与长冈形成对照，他用古典物理学来研究原子结构。1911年，石原纯旅行去德国，在爱因斯坦和索默菲指导下研究物理，并发表了一篇有关光子的量子理论的论文。1915年回日本，他发表原子理论广义量子条件——比索默菲同样的导致新量子力学的研究早8年。

石原对于日本物理发展的主要贡献是努力普及、扩大科学，包括有关相对论和量子理论的日文文章和书籍，以及爱因斯坦著作的四卷译文。1922年，石原是欢迎爱因斯坦访问日本的东道主。爱因斯坦在旅途中，在缺席的情况下，被宣布荣获诺贝尔奖。这位西方科学的巨人在日本声誉显赫，就受到人们的热烈欢迎。

在所有外国培训的日本物理学家中，二阶潮（Yoshio Nishina）对汤川和他同事的影响最大。二阶在哥本哈根，是在尼尔斯 · 玻尔的指导下从事研究的，在欧洲8年之后，1928年回日本。他与玻尔的同事奥斯卡 · 克莱恩的著作中，运用了狄拉克新相对量子方程，用电子研究γ射线散射，研究的结果于1929年发表。这结论性克莱恩 - 二阶公式与试验相一致，提供了狄拉克电子理论最初的证据之一。

1931年，日本政府希望原子物理与宇宙射线的研究会提高日本科学的能力和威信，在东京的物理化学研究所建立了二阶实验室。一台范德拉格夫加速器于1033年在那里建成。1937年除美国之外的第一个回旋加速器也在这里建成。

得知发现原子核裂变之后，二阶及同事（1940）使钠受到快速中子轰击产生放射性同位素U237。然而，原子武器的研究直到1943年才开始，到战争结束时停止。美国军队摧毁了日本的回旋加速器。日本战前持继时间最长久的就是理论物理的研究，而不是实验物理、大量的研究工作是由汤川、朝永振一朗（第二个诺贝尔奖获得者）及其同事们来完成，他们主要代表着由日本教师培训的新一代物理学家。

汤川研究的背景

汤川于1907年出生在小川秀树，后来招赘入他妻子汤川纯家，这对于一个没有儿子的日本家庭来说是普遍的习惯。1岁的时候，他的家迁居京都，他的父亲是地质学家，在京都帝国大学任地理学教授。

甚至在开始上学之前，汤川每天晚上就有大约1小时的时间由他爷爷给他讲授儒家知识。汤川不喜欢这些中文著作，然而后来他对老子和庄子的道教书籍却颇感兴趣，和孔子不同，老子和庄子把自然看作是宇宙的中心，而不是人，这就导致他在不断的思考中寻找着人类问题的复杂性之外的自然的和谐与朴实。场川听说爱因斯坦访问日本时，只有14岁。虽然他没有亲眼见到爱因斯坦，但是访问时激动人心的情景却影响着他，使他立志于物理。

汤川上高中时，由于长冈的鼓舞，使他专攻物理。他与朝永振一郎在京都进了同一所高中，后来朝永振—郎在第二次世界大战期间，由于对量子电动力学的研究，荣获诺贝尔奖。1926 ~ 1929年，汤川和朝永都在京都大学学习物理，两人的父亲都是这里的教授。高中年级时，在没有课堂教师讲解的情况下，他们互相帮助学习，研究由海森伯1925年所创立的新量子力学。

毕业后，汤川和朝永一起留在京都大学任无薪助理三年，因为当时的经济萧条使他们失去了得到有薪位置的可能性。他们继续进行理论研究，运用量子力学的相对论方式于狄拉克所开创的量子场理论的新域。在此期间，他们能够听到狄拉克和爱森伯的讲课，当时狄拉克和爱森伯正在东京参观二阶实验室。汤川和朝永听取了二阶在京都所作的有关量子力学的系列演讲。

1932年，对于汤川和原子物理来说都是至关重要的一年。汤川结了婚，后来成了京都大学的讲师，一年后迁至大阪大学，当时长冈是校长，二阶实验室的前成员菊地正之正打算筹建一个粒子加速器。英国查德威克发现中子，在一个加速器里获得最早的核反应。美国哥伦比亚大学尤里发现氘核（结合质子和中子），卡尔特奇的安德森发现正电子。正电子的发现是狄拉克的量子场理论的重要证明，根据荷电粒子间光子的交换就能解释电磁力。在此交换过程中，光子是电磁场的能量子。同一年海森伯提出了由于电子互换作用而结合的中子——质子型原子核，在某种程度上相同于氢分子里的两个氢原子的电子结合。他能够解释α衰变和γ衰变的一定核能水平，可是不能解释在β衰变里电子的变化能量，这几乎破坏了守恒。

汤川最初发表的是翻译海森伯原子核结构的论文，他指出其中缺少核力的适当理论。当时，汤川试图修改海森伯理论，用电力场来解释核力，这类似狄拉克解释电磁力的光子场，可他不满意于这种理论，因为这个理论意味着力的范围要比原子核和自旋交换大得多，这要破坏自旋角动量守恒。1933年，在日本举行的物理教学协会的一次会议上，他在一篇名叫“核电子理论”文章里提出了这种看法，在这里二阶建议非自旋交换粒子对于场更可能有效。这时，朝永正在东京与二阶一起研究，他们发表了几篇有关阴阳电子偶的产生和消亡的理论，是狄拉克理论与反物质概念的延伸。

1934年，费米发表了β衰变的中微子理论，这一理论主张保存能量和自旋，同时生成一电子和与电子同样自旋的无质量中微子。中微子早些时候由泡利提出，可仍旧受到怀疑，虽然在费米的理论里确实解释了β衰变能量谱。不久，俄国物理学家塔姆和凡宁柯企图用电子 - 中微子偶的交换来解释核力，可是发现，结果性的力太微弱甚至不能把原子核的核子聚集在一起。虽然这种看法是不令人满意的，但它有助于汤川在他的核力理论里看到下一步如何办。

介子理论

汤川鲜明地扩大了狄拉克、海森伯和费米的看法，1934年10月，他的第二个孩子出生之后不久，在一个不眠的夜晚，他意识到如何产生一个零自旋的交换粒子，作为解释核力和β衰变的场量子。他认为这种场粒子的互相作用的范围应该与其质量成反比。核力有效的狭小范围需要交换粒子的巨大质量，他很快就估计出这交换粒子大约200电子质量。

汤川在大阪的一次会议上提出了这种看法，在这次会上菊地正之建议这样的粒子可能会在云室的宇宙线里出现。在向日本物理数学协会提出了他的理论后，汤川第二个月就完成了一篇论文，这篇论文发表在协会主办的杂志“过程”的第1期上（1935）。

在汤川的介子理论里，核力被描叙为递减函数、等于康普顿波长的核力范围R根据h/mc得出，m代表粒子质量，h代表普朗克量子常数被2π除，c代表着光速。这样就产生了短程力，超越核子而忽略不计。确定核力范围R等于原子核半径，场粒子质量m=h/Rc=200电子质量。核场的量子与狄拉克量子场理论里的解释电磁力的光子相类似。零质量的光子导致了电磁场的巨大范围。对比之下，巨大核场粒子能在两核子之间交换，只有当它们几乎相触的时候。

介子质量的表达式后来由威克提出（1938），他并没有根据变换的相互作用的性质，而是运用海森伯的测不准原则：时间和能量的误差乘积一定要不超过h。当核子射出一质量为m的介子时，所失去的能量不小于E=mc²。根据测不准原则，这种状态所持续的时间不能比t=h/mc²更长而未被察觉，因为介子传播不能比光快，所以比R=ct=h/mc更远的介子不能被吸收，介子质量m=h/Rc，此过程被称为“虚”交换。

汤川称这新的粒子为“重量子”或“铀量子”，介子名称是由印度物理学家霍梅 · 巴巴1939年提出了，描述了它在电子和质子之间的中等质量。

这个理论认为介子可以带正电或带负电存在，就介子与电子和中微子互相作用而言，汤川表明了费米的β衰变的结果是怎样得到的。可这需要更小耦合常数来区分微弱β衰变力、与强大的核力。他又指出，观察如此巨大质量的自由介子需要宇宙射线的高能量，正如爱因斯坦的质能方程所计算的。

在预言介子之后的最初2年里，汤川撰写了几篇文章，用日文出版了他的第一部著作《衰变理论》，起初，他的研究在西方没有引起重视，除质子、中子和电子之外、新粒子的看法受到抵制，即使在有利于修改理论时也如此，甚至抛弃了基本守恒定律，如β衰变。当狄拉克理论导致了反电子概念，例如，狄拉克喜欢用质子证明它，直到安德森发现正电子证实了反物质概念。在出版论述中微子观点之前，泡利等了3年。日本的科学在国外并不是众所周知的，甚至在介子理论已经被广泛了解，在没有实验来证明新粒子时，也很少有人愿意接受。只有二阶、朝永和在大阪的汤川的同事支持这一新的理论。

1937年春，玻尔来访日本，在京都遇到了汤川和二阶。他们与他讨论了介子理论，玻尔对于介绍不被人所知晓的粒子并不感兴趣。甚至在玻尔回哥本哈根之前，一个约200电子质量新的荷电粒子已经在宇宙射线里被尼德迈耶和安德森发现的消息从美国传到日本也是如此（1937）。根据米利肯建议，他们把这粒子称为“mesotron”显然与巴巴不同，海森伯的父亲建议“meson”是更正确的希腊语。

在东京二阶实验室里，获得新粒子的消息后，检查云室的照片证明了新粒子的径迹。仅几个星期，汤川（1937）就撰写了1小篇论文，提出新的宇宙射线粒子，可以证明他的重量子，他称之为“cosmons”。早1个月，奥本海默和塞伯（1937）就已经做了同样的建议，很显然他们在日本之外参考了汤川的理论后发表的，奥本海默对于这一理论是互相矛盾，可是他建议把这粒子称为“yokon”或者“dynaton”。

混乱结论的辨析

1939年，汤川离开大阪大学，回京都大学。这时，他和阪田改进了介子衰变计算（1939），得出的介子寿命为0.1微秒。可对宇宙射线介子的几次测量指出平均寿命为1微秒，比理论所需要的寿命大100倍。汤川和冈山（1939年）然后计算铅阻止介子所需要的时间，发现在介子衰变之前就被俘获，与所观察到的宇宙射线介子的穿透力相反，理论与实验的明显矛盾持续了整个战争年代。

战争期间，多数日本物理学家被动员去从事军事研究。然而，约有20多位物理学家继续非正式的介子俱乐部聚会，讨论介子理论的疑难。会议的成果之一就是双介子理论，由阪田和井上在1942年发表，直到战争结束才用英文发表，当时类似的研究已经由马沙克和贝蒂独立完成并发表。双介子理论假定汤川介子（零自旋）回速地衰变成一个中微子加宇宙射线介子（每个具有半单位自旋），后来依次更缓慢地衰变成一个电子或正电子加上两中微子。介子俱乐部讨论的另一个结果是由朝永（1943年）发展的更一致的量子电动力学比范曼和施温格相同的研究早4年，为此1965年三人分享了诺贝尔奖。

1947年5月，布里斯托尔大学的鲍威尔和他的同事证实了双介子理论，采用照相感光乳剂的新方法研究宇宙射线。他们发表了照片，表示出一个介子停止，一个较轻粒子在同一点开始，两个粒子都超过200电子质量，第二个粒子的反冲能意味着重介子衰变成轻介子，质量差琴约50电子质量。较轻粒子最初称为μ介子（mu meson）现在称为muon，被较早发现的宇宙射线所证实。较重π介子（pion）被认为是汤川介子，正如在双介子理论所预言的。因为μ介子与物质作用极其微弱，它们不是真正介子，行为像电子，这样就被分在轻子之类（lepton）。

发现轻子之后一年，在贝克利用新的同步加速器生产出大量的π介子，它们的性质不久就被确定下来，中性π介子是1950年发现，而后几个较重介子也被发现，现在数量已多。在这些新介子中有些非零自旋，正如汤川矢性介子理论所预言的那样，除了质子和中子之外，这些新介子的发现和许多新的重子，标志着在发展基本粒子物理上新阶段的开始，1964年导致了夸克理论，L. M. 布朗在介绍汤川的生平、评价介子理论时说：“人们仅根据对思想方式过高的评价，而不是对自然内容的理解。认为介子理论是比量子理论和相对论的一次稍小的革命是完全公正的”。

日本物理的独到之处

日本物理最显著的特点就是吸取西方科学的速度和开始最初的贡献。日本比其它多数非西方国家的优点可能就是向外国学习的传统、并且确信进步是可能的而且是重要的。

联想到日本不仅迅速地模仿西方科学而且冲破了西方物理思想的阻力，除电子、质子和中子之外，还指出了新的粒子（Takabayasil983），西方科学系统的实验论和逻辑可能使之更容易输出，因为它脱离原始宗教的文化根源，而那些相同性质导致了抵制不能直接观察到的理论上的物质。马奇和其它早期实证主义者反对原子理论，玻尔和其它一些人宁肯违背守恒定律，也决不主张提出新粒子，例如中微子和介子，从中可以清楚地看到这一点。

显然，日本人并没有被实证主义所阻碍，可能考虑在理论物理上有更大思想自由。菊地正之（1981）已提出，采用汉字书写，就使得日本人趋向于非线性的思想方式，比人们在西方线性的相继的研究中所发现的更突出模仿的认识，这样的因素有助于日本战前理论物理的繁荣是可能的。与美国强调实验形式对照；正如在此时期的7位美国诺贝尔奖获得者所证实的。

然而，即使这样的文化差异可能包括思想的模式和敏感，以至于提高对科学的互相补充研究，最终的结论，如果要被世界科学团体理解和接受的话，必须要以与西方科学相同的合理的实验方式表达。忽略欧洲科学在日本科学发展中的巨大影响是困难的，所有的科学都是在互相交流的过程中发展起来的。

汤川（1973年）特别强调他自己对于日本科学直观和创造性研究的重要性的信念。日本战后对于基本粒子物理的贡献也是一证明。一个实例是中野（Nakano）和二世次间（Nishijima）提出了奇异量子数（1953年）而组成新粒子，没有依靠盖尔 · 曼的研究。另一个实例是阪田（1956年）的三个基本粒子的理论（Sakaton）。给盖尔 · 曼的夸克理论提供线索，其中介子是由夸克和反夸克组成，重子包括三个夸克。汤川和他的日本同事宣称创造和直观的可能性，由于他们的大胆和不屈不挠，建立起核力的介子理论并且研究出了基本粒子物理的结论。

[American Scientist，1985年11 ~ 12月]