歷史 物理

朝永振一郎的落語人生

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撰文者:高崇文
發文日期:2019-10-22
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  • 阿文前一陣子觀賞了日劇"昭和元祿落語心中",這是一齣描寫二戰前後一對落語師兄弟之間愛恨情仇,還一路糾纏到第二代的精彩故事。所謂的"落語"是日本的一種傳統表演藝術,就形式上與我們的"單口相聲"類似,但是其實落語家(稱為高座」(こうざ)的一舉手一投足都有講究,講的故事雖然都有固定的情節,但是每個"高座"都各有特色,而且這些落語的故事情節又長又複雜,而且有許多趣味都與日語的特色有關,阿文也只能看著字幕,多少揣摩裡面的故事,然而高座厲害之處在於他們的表情與聲調自有他獨到之處,看了這齣日劇之後,像是"野曝" "芝濱" "品川心中"乃至於劇中主角最擅長的"死神"的這些橋段,都讓人為之著迷,真的算得上是"博大精深"的一門藝術。但是你聽說過有人能用德語表演"落語"嗎? 乍聽之下還真叫人吃驚,這簡直像是用義大利語唱歌仔戲一樣嘛。但是確有其人,而且還是為鼎鼎大名的物理學家喔! 他就是本文的主角:朝永振一郎。
     

    朝永振一郎出生於明治39年(1906年),正是日本還沉醉在日俄戰爭的勝利的時候。他出生於東京市,他的父親朝永三十郎當時還在東京帝大攻讀哲學。朝永家是大村藩的武士出身,大村藩位於今天的長崎縣內,雖然是個石高只有不到三萬石的小藩,但是藩主一家卻是個可以追溯到鐮倉時代的古老家族,而且還是全日本第一個改信天主教的"切支丹大名"。後來在幕府壓力下放棄天主教信仰,但是在幕末時,藩主大村純熈站到明治新政府這邊,建下戰功,所以後來從子爵破格拔擢成為伯爵。朝永三十郎是從"一高"畢業的英才,進入東大卻是研究西洋哲學。朝永振一郎出生一年後,他的父親應聘成為京都大學的助教授,但是振一郎仍然住在東京,這是因為朝永三十郎在歐洲留學,家人就拜託在東京的親戚照料。要等到七年後,大正二年(1913年),朝永三十郎從歐洲回來,並且成為正教授時,全家才搬到京都。三十郎成為世界聞名的"京都學派"的一員,而朝永振一郎也在京都開始上小學。
     

    由於小時候朝永振一郎時常生病而缺席,但是也就是從小學開始,朝永振一郎逐漸對大自然產生興趣,他用放大鏡進行各種簡單的光學實驗,還製作自己的電報和顯微鏡鏡頭。 雖然他身為著名哲學家之子,但是他晚年曾自述道哲學對他來說實在太難,他甚至以"苦手"來形容,有意思的是,經常有人跟他說“你寫的文章哲學味很濃的”。也許是朝永桑的標準太高的關係吧。
     

    朝永振一郎一路從京都一中(現在的京都府立洛北高等学校・附属中学校)、第三高等学校、京都帝國大学理学部物理学科這些一流學府念過來。當時正是所謂大正民主的時期,而朝永則是常常跑去寄席聽"女義太夫"以及"落語",所謂的「寄席」其實算是一種專門表演傳統曲藝的小劇場,表演者多為義太夫節藝人,也雜有別的藝術形式。女義太夫又稱娘義太夫,是一種在明治時代十分流行的大眾藝術。日本自江戶時代早期便存在著類似於中國南方彈詞的,以三味線為伴奏,主唱的 「大夫」依曲而唱的傳統曲藝「凈琉璃」。當時的女義太夫可以說是今天少女偶像的"元祖", 少女們不僅歌聲清澈,而且容姿美好,迷倒一大群書生,看到NHK大河劇"坂上之雲"的看官們應該還記得,本木雅弘飾演的秋山真之在東京念書時跟著正岡子規跑去捧"女義太夫"的場子的瘋狂橋段吧!不過朝永一直名列前茅,只能說他天生是讀書的料子。

     

    Tomonaga
    圖:朝永振一郎  來源:諾貝爾獎
     

    當年的學制:小學是六年,中學五年,高等學校三年,大學三年。不過讀完中學四年級就可以報考高等學校。湯川雖然比朝永小一歲,但是因為湯川秀樹中學只念四年就考上三高,所以與朝永成為同學。他與湯川一路從三高到京大都是同學,他們之間的友誼也是一段佳話。他們於1926年進入京大,1929年畢業。
     

    而大正民主也隨著新皇(昭和天皇)登基,世界局勢的變化,逐漸煙消雲散。而這段時間正是量子力學剛萌芽而一路茁壯的時代。湯川與朝永都曾回憶道,當年他們在圖書館,自己嘗試要了解那些量子力學相關的德文論文,往往不得其門而入而感到非常挫折。因為當時京都大學根本沒有教授對量子力學有興趣。倒是當時在京都當助教的數學家岡潔以及秋月康夫的數學課對朝永以及湯川影響比較大。畢業之後朝永留在京大繼續當助教。1929年狄拉克與海森堡連袂訪問日本,朝永特地到東京聽倆人的演講,海森堡介紹他的鐵磁性理論,狄拉克則是介紹他的相對性電子方程式。害羞的朝永卻躲在後面的座位,看著只比自己大五歲的兩人如此意氣風發,默默地聽著......

     

    當然,朝永振一郎的人生並沒有停留在後排座位,從歐洲回來的仁科芳雄改變了他的人生!仁科芳雄在1931年訪問京大,並且發表介紹量子力學的演講,演講之後,朝永與湯川兩人不斷地提問,讓仁科留下深刻的印象,所以回到東京之後,仁科正式邀請朝永加入他的研究室。很快地,年輕的朝永就成了仁科研究室的理論組的第一把交椅。他跟實驗室的同僚互動密切,因為他常負責估計實驗的結果給同僚,練就一身"估計出數值"的本領。他的第一個研究計畫是從氘的性質反推質子與中子的交互作用力。當湯川在構思他的"湯川粒子"的理論時,常常向朝永徵詢核力的性質。當正子被發現後,朝永在仁科的建議下計算高能量的光撞擊原子核產生正負電子對然後湮滅的散射截面,但由於仁科送出論文時耽擱了,結果讓Hans Bethe 和Walter Heinrich Heitler (1904-1981)佔了先機,在朝永之前先發表了。真是令人洩氣呀。不過在仁科研究室的這段時間,朝永讀遍了量子場論的相關論文。在1935的夏天,仁科研究室的幾個成員到仁科芳雄避暑的輕井澤租了個房子,一起埋首翻譯狄拉克的名著: 量子力學的原則。他們往往為了翻譯一個辭而吵翻天,但是他們規定周日不工作,而是在輕井澤悠閒過日,隔天又和好如初,繼續翻譯這本鉅著。朝永後來對這本日文版的量子力學的原理頗為自豪。仁科的研究室有句口號「よく学び、よく遊ぶ」翻成中文應該是"好好學 好好玩",仁科自己天天要打網球,還常帶學生上銀座喝酒,而朝永也常跟理研的同事一起去觀賞寄席,演戲與音樂會,周日還會一起去健行。朝永後來在「科学者の自由な楽園」追述那段研究生活,令人不勝嚮往呢。

     

    1937年的年底,朝永得到機會,前去德國留學。他選擇去萊比錫,因為量子力學的開創者海森堡在萊比錫,雖然只比朝永大五歲,海森堡早已名滿天下,連諾貝爾獎也在五年前都到手了。朝永選擇去跟海森堡的原因之一是當時朝永受到湯川的影響,重新燃起對核子物理的興趣,而且已經寫了三篇相關的論文,而海森堡是少數專注在核物理的大家。當朝永向海森堡請教論文題目的時候,海森堡建議他做理論基礎比較穩固的題目,不要去做湯川理論,因為海森堡雖然覺得湯川理論很有趣,但是認為它的理論基礎還不夠明朗。朝永從善如流,在萊比錫的時候,他用波爾的原子核液滴模型計算核物質(Nuclear matter)的黏滯性與熱導率,雖然結果並不如預期,海森堡還是鼓勵他投稿,這一篇就是他在國際期刊的第一篇論文《核物質的內部摩擦和導熱性》(Innere Reibung und Warmeleitfahigkeit der Kernmaterie),登在Zeitschrift für Physik。這個論文後來成為朝永博士論文的主體。之前朝永的論文都是刊在Riken 的機關刊物上。

     

    在萊比錫的這段時間,他與老同學湯川魚雁往返,讓他對湯川研究群的成果瞭若指掌,他不時與海森堡討論相關的問題,尤其是當時發現的"介子"與核子的散射截面太小,難以解釋強大的核間作用力,這是最大的謎團,答案其實是當時發現的"介子"不是湯川理論中傳遞核力的粒子,而是渺子,不過那得等到近十年後科學家才發現這件事。朝永還曾經試著計算介子的衰變是先躍遷到正負核子對,再藉著貝他衰變變成電子–微中子對,這個想法後來被坂田昌一發揚光大。但是當時朝永發現計算的結果居然是發散的,當時海森堡就提醒他,介子與核子的交互作用無法利用一般的微擾理論來處理的。倒是海森堡在與朝永討論之後,提出了"介子雲"的概念,就是核子可以放出介子再吸收回來,所以在核子周圍形成了一片"介子雲",海森堡嘗試利用這個想法解釋"介子"與核子的散射截面過小的問題,因為當"介子"與原子核碰撞時,真正碰撞的是"介子"與"介子"。海森堡依此建構了一個古典模型,而朝永則是希望用量子理論的語言來推導出這個效應來。

     

    就在朝永興致勃勃地往這方向努力,並且希望多留在萊比錫一年時,第二次世界大戰在1939年初爆發了,他只好搭船回日本。同行的還有老朋友湯川。湯川秀樹是應邀來參加預定十月在布魯塞爾舉行的第八次Solvay 會議,湯川是Solvay 會議首位邀請的亞洲學者,可惜這次會議因為二戰爆發而取消。所以他與朝永倆人搭船離開歐洲,到達紐約。湯川到美國訪問,而朝永則是直接回日本。

     

    回到日本的朝永,以(核物質に関する研究)為題的博士論文拿到東京大學理學博士,並留在RIKEN繼續研究工作。隔年他與東大教授兼天文台長的關口鯉吉的千金關口領子結婚。1941年朝永成為東京文理科大學(東京教育大學前身,現在的筑波大學)的教授。雖然當上了教授,他還是會在每年五月舉行的東大學園祭表演德語落語呢。而在學術上,他則是繼續思考如何建構出海森堡的"介子海"的量子理論。當時在蘇黎世的Gregory Wentzel 發表了一篇饒富趣味的論文,他利用正則變換來處理介子–核子系統,這個作法就算介子與核子之間的耦合係數大於一也可以適用。朝永學習了這個手法,再搭配上Hatree近似,作了不少研究。事實上Wentzel的做法是對耦合常數的倒數作展開,而朝永的做法對耦合常數接近1時也適用,他稱之為"Intermediate Coupling Theory"。

     

    然而1942年老同學湯川再一次對朝永產生衝擊,湯川認為量子場論的發散問題是來自於公式並沒有完全遵循羅倫茲不變性,湯川甚至主張將物理量定義在一個封閉的四維超曲面上,這樣一來,因果關係就無法成立了!這麼激進的作法不符朝永的口味,但是他認為需要建構一個完全遵循羅倫茲不變性的量子場論的架構,在狄拉克的一篇1932年發表的論文"The Lagrangian in Quantum Mechanics"的啟迪下,朝永在1943年發展出一套他自稱為super-many-time formalism。但是隨著戰事吃緊,朝永也不得不投入與軍事相關的研究,他被交付了與微波波導相關的研究,他還將之前物理學家建構來研究粒子散射的"特徵矩陣"引進雷達線路的分析工作。朝永在戰後出版了他在戰時研究這些軍事相關的論文。

     

    隨著時局惡化,1944年朝永將家人送到鄉下,1945年四月十三日的東京大轟炸,朝永與仁科的房子都跟RIKEN一樣被美軍炸毀了。當戰爭結束時,雖然百廢待興,但是朝永還是持續他的科學研究,到了1946年他已經準備好將戰時發展出來的super-many-time formalism 拿來用在量子電動力學上。這一年十一月,朝永到京都大學參加日本物理年會的一場會議,報告他的成果。他的研究群一共發表了二十三篇報告呢!但更重要的是,他遇到了京大的學弟坂田昌一,坂田當時鼓吹使用凝集力場(cohesive field)來削去量子電動力學中發散的電子質量。朝永回到東京以後,與他的學生試圖將super-many-time formalism 與坂田的凝集力場結合,看是否能夠將發散的電子質量變成有限,一開始的計算證明這是不可能的。等到論文都發了,朝永的學生木庭二郎才發現計算的細節有問題,小心地處理後,電子質量果然變成有限的!但是先前美國的科學家Sidney Michael Dancoff (1913-1951)在1939年曾證明了,無法同時削去發生在電子質量與真空極化效應的兩個發散,朝永與他的研究群面對這個難關的應對之道是重新檢查Dancoff的計算,結果出乎意料地,他們發現了Dancoff的計算漏掉了一項,修正之後他們發現,使用super-many-time formalism 與坂田的凝集力場可以將量子電動力學的發散全都削掉!朝永重覆了Dancoff 關於庫倫散射的計算而得到有限的結果,這是在1947年十二月左右完成。

     

    約莫就在朝永的研究群突破難關之時,朝永在閱讀"時代"雜誌時得知了蘭姆位移的消息,之後他從最近一期的Physical review 讀到了Bethe的非相對論性計算,理所當然的下一步就是完成相對論性的蘭姆位移的計算,所以從1947年一月起,朝永的兩個學生福田博與宮本米二在朝永的指導下嘗試算出蘭姆位移,但是遇到許多困難,四月的時候,朝永將他們的成果整理好寄給了歐本海默,這讓歐本海默非常驚訝,當時美國剛開完了Pocono 會議,許文格與費恩曼在會場上展示了各自版本的量子電動力學,沒想到在剛投降不久,連吃飯都成問題的戰敗國日本,居然也在量子電動力學的競賽中嶄露頭角。到了九月的時候,朝永團隊得到與Weisskopf 和他在MIT的學生Bruce French 以及Norman Kroll 和 Willis Lamb的答案了。當許文格與費恩曼發現各自的錯誤,也得到相同的結果時,量子電動力學的勝利就宣告完成了。朝永的理論與許文格的理論相當類似,但是由於朝永在戰時與戰後初期與西方隔絕,所以無庸置疑地,朝永的研究群已經達到了世界一流的水準,對理論物理作出了了不起的貢獻,對戰後凋敝的日本,應該是一劑強心針吧。順便一提的是許文格與朝永都是從核子物理起家,戰時又都投身微波研究,或許倆個人發展出類似的理論,背後有些道理吧。

     

    朝永在1949年收到歐本海默的邀請,前往普林斯頓的普林斯頓高等研究院進行研究。他的老同學湯川則是前一年就來到普林斯頓高等研究院,接著湯川接受哥倫比亞大學的邀請,在哥倫比亞擔任教授直到1953年。也就是在朝永在美國的時候傳來湯川得到諾貝爾物理獎的喜訊。朝永振一郎後來在隔年返回日本,並提出關於一維費米子系統的論文。早在1934年,Felix Bloch (1905-1983) 就發現一維費米子系統與一維簡諧振子鏈的低能激發態有類似之處。而朝永則是發現一維費米子系統,就算彼此有交互作用,居然可以用波色子的漢密爾頓函數來描寫。但是朝永沒有繼續研究下去,直到十三年後,Joaquin Mazdak Luttinger (1923-1997) 才發展成Luttinger-liquid 模型,開啟後來所謂"bosonization"這個領域。這是朝永最後一篇重要的研究論文,之後他又寫了幾篇關於"Intermediate Coupling Theory回顧性的論文,之後就轉身到教育行政事業去了。1956年他成為東京教育大學的校長,一直當到1962年,朝永是個非常成功的校長,後人把他當校長的時間稱為"朝永時代"呢!1963年起他擔任日本学術会議会長,東京教育大学附属光学研究所長一直到1969年退休。1965年他與許文格,費恩曼一同獲得諾貝爾物理獎。這讓他成為第二位獲得諾貝爾物理獎的亞洲人! 事實上從1951年起,他就陸續被提名了十五次,消息傳來,舉國轟動,但是朝永桑卻沒去斯德哥爾摩領獎,原來他參加了慶祝他得獎的宴會上喝太多,結果在浴室滑了一大跤,把肋骨摔斷了!所以後來是由瑞典駐日大使館將獎牌頒給朝永振一郎。

     

    朝永是位極具魅力的教師,培養出不少日本戰後的優秀物理學家,此外他也孜孜不倦地寫作。朝永關於科學的著作,影響力最大的首推他的『量子力学』兩卷,第三卷則是遺著,由學生幫他出版的。量子力學課本多如過江之鯽,但是朝永的第一卷卻是非常特別,它是少數由量子物理的歷史入手,並且花了大幅篇幅解釋矩陣力學的來龍去脈,想來這與他在年輕時苦讀德文的相關文獻,後來又在矩陣力學的開創者海森堡門下求學的經歷有關吧。這本書後來還被朝永的學生小柴昌俊翻譯成英文,小柴昌俊後來因為微中子實驗的功績而得到諾貝爾物理獎。

     

    除了教科書以外,朝永還寫不少科學相關的文章,像是『鏡のなかの世界』(鏡中世界,1965) 『鏡の中の物理学』(鏡子中的物理學,1976),『量子力学的世界像』(1965) 以及口述的『原子論の発展』(1962),『放射能の話』(1963)等。此外他也與人共同編輯了許多書像是『物理学読本』(1952,1969、第1、2版) 『素粒子の世界』(1978) 『物質とは何か』(1949) 『物理の歴史』(1953) 『原子核から素粒子へ』(1949) 『宇宙線の話』(1960) 『現代自然科学講座』第1巻〜第12巻(1951-1952) 『理論物理学新講座』(1953-1954)等等。當然,熱愛落語的朝永桑不會只寫與科學相關的東西,像是『仁科芳雄 伝記と回想』(1952) 就是懷念他最尊敬的恩師仁科芳雄。而『わが師わが友』 (吾師吾友1976年)則是描寫他的老師友人,他甚至還出了散文集呢『庭にくる鳥 随筆集』(1975)。他一生的著作後來整理成『朝永振一郎著作集』十二卷再加上三卷"別集",可以說是著作等身了。可惜,翻譯成英文的只有量子力學以及以他的講稿組成的スピンはめぐる(The story of spin),阿文之前寫過介紹這一本The story of spin,就不在此再贅述了。朝永振一郎還寫了一本《物理学とは何だろうか》(物理學是什麼?)獲得1980年由朝日新聞社主辦的大佛次郎賞。這個獎他過世以後才頒給他的。很可惜這本書只寫到統計力學,原本要寫到量子理論卻因朝永去世而作罷。朝永振一郎在1979年因咽頭癌於日本東京去世。而他的老同學湯川則是兩年後離開人間。然而他們開創的日本理論物理卻繁花盛開,成就非凡。

     

    2015年3月,日本茨城吾妻2丁目的中央公園,設置了江崎玲於奈、小林誠、朝永振一郎的銅像,以彰顯3位諾貝爾物理學獎得主的功績。中央公園就在筑波快線終點站附近,阿文每次去KEK訪問都會經過,下一次再去,一定要與朝永桑的銅像合拍一張照片!

     

    參考資料

    (一) 中文 日文 英文 德文維基相關條目

    (二) "Sin-itiro Tomonaga." Encyclopedia of World Biography. . Encyclopedia.com. 19 Jun. 2019

    (三) QED and the Men Who Made It by S.S.Schweber

    (四) https://www.kahaku.go.jp/exhibitions/tour/nobel/tomonaga/p1.html =======================================================

    延伸閱讀

    自旋物語(上) 自旋打哪兒來?

     

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