日本粒子物理异军突起:汤川秀树与他抱憾离世的弟子

作者: 邢志忠

来源: 赛先生

发布日期: 2024-03-20 18:04:54

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,并激励了学生坂田昌一深入研究。坂田提出了强子理论结构“坂田模型”,并首次提出了中微子味混合的基本思想。尽管坂田因病早逝未能获得诺贝尔奖,但他们的工作持续影响着日本和全球的粒子物理学界。

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。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。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。

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。

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