歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1949 湯川秀樹

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-05-12
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    1949年的諾貝爾物理獎頒給日本物理學家湯川秀樹(1907-1981)。獲獎理由是他所發明的核作用力理論,特別是他理論中所預言的介子。他是第一位獲得諾貝爾獎的日本人。也是第二位獲得諾貝爾物理獎的亞洲人。獲獎當時日本百廢帶舉,人心凋敝,所以他的獲獎給當時的日本社會帶來莫大的鼓舞。

     

    湯川秀樹於1907年出生於東京,是地質學家小川琢治的三男。1908年,小川家隨著琢治就任京都帝國大學的教授而搬遷往京都府京都市居住。秀樹的大哥小川芳樹是東京大學教授,冶金學專家。二哥貝塚茂樹是京都大學的退休名譽教授,專研中國古代史。四弟小川環樹是京都大學教授,研究中國文學;幼弟小川增樹則於二戰中戰死。

     

    Yukawa
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    1919年,湯川秀樹進入京都府立京都第一中學校就讀。1965年諾貝爾物理學獎的得主朝永振一郎就是小川秀樹在京都一中的學長、而且同為第三高等學校與京都帝國大學同期生。1929年,小川秀樹從京都帝國大學理學部物理學科畢業,轉任京都大學玉城嘉十郎研究室的助手。1932年,成為京都帝國大學講師。1933年,於東北帝國大學召開的「日本數學物理學會年會」上與當時身為大阪帝國大學理學部物理學科主任教授的八木秀次相識,在八木的幫助下擔任該校講師。在此期間,他和大阪胃腸病院院長湯川玄洋的次女結婚,並入贅湯川家,由小川改姓為湯川。而他的原子核物理研究也在此時展開。

     

    1932年英國的查德威克發現中子之後,物理學家開始思考是什麼力量將帶正帶的質子與不帶電的中子綁在一個非常小的範圍內,所以湯川決定要挑戰這個問題! 當時海森堡剛提出他的核力理論,湯川在讀了海森堡的論文之後,他決定要將中子與質子都當作基本粒子,更進一步他把海森堡將核力當作類似氫分子中兩個質子交換一個電子的作法應用到中子與質子交換電子來處理。當湯川在1933年四月參加仙台的一個會議時他很興奮地表示,他得到了核力的形式是隨距離成指數衰減Exp(-hr/2πmc)的形式,m是傳遞核力粒子的質量。當時湯川以為是電子。但是進一步的計算後,這個形式其實只是一個相位,沒有物理的效果。這讓湯川非常失望。當他在仙台演講時,仁科芳雄建議湯川將核力的媒介改成自旋為零的波色子。然而湯川認為改用波色子很難解釋原子核的β衰變而猶豫不定。
     

    沒多久費米發表了新的β衰變理論,中子衰變成質子加上電子,再加上一個反微中子。緊接著1934年秋天兩個蘇聯科學家I. Tamm 與D. Iwanenko嘗試用電子與反微中子形成一對, 以此當作核力的媒介,結果發現要嘛核力距離變太長,要嘛核力變太弱。湯川秀樹重新考慮仁科芳雄的建議,據說在1934年十月的某一天他在夢中理解到問題的關鍵是核力與充當媒介粒子的質量成反比,醒來之後他採用自旋為零,而質量比電子重的粒子當作核力的媒介,幾個禮拜內就完成了論文,並在1934年十一月十七日在東京的一個會議上介紹這個理論。他把這個粒子稱為U粒子。湯川的理論預測了U粒子質量約電子質量兩百倍,自旋為零。當湯川第一次在大阪帝大介紹他的工作時,聽眾就問他為什麼實驗室沒看過這種粒子呢? 湯川回覆說要產生這種粒子至少需要100 百萬電子伏特能量,當時的原子核物理實驗室還沒有能力產生這麼高的能量,所以他建議他的同行從宇宙線中去尋找。隔年湯川在《日本數學和物理學會雜誌》發表「關於基本粒子的相互作用」論文,解釋了原子核之內質子與中子之間的相互作用,並預言了介子的存在與其性質。當時西方完全沒有人注意到湯川的研究。
     

    不過緊接著在1936年美國加州理工學院的科學家Carl Anderson 與 Seth Neddermeyer發現宇宙射線中發現了質量是電子的200倍的新粒子。由於新粒子的質量介於電子與質子之間,Anderson本來將其命名為Mesoton,但是密立根(時任加州理工學院校長)不喜歡,硬是要Anderson 改成 Mesotron,所以當時都稱呼這個質量約一百零五百萬電子伏特為Mesotron,日文稱為中間子,但是後來這名稱被拿去改稱別的粒子。後來海森堡指出依照希臘文的規則,應該改稱為Meson,所以Mesotron就變成Meson。沒多久,哈佛大學的 Street 和 E. C. Stevenson 在雲霧室實驗中再次確認這個結果,仁科芳雄也在理研與竹内柾、一宮虎雄共同發現了這個新粒子。哈佛的那一組十月六日投稿,十一月一日就刊登在Physical Review,日本理研的論文在八月二十八日投稿,卻被退稿,直到十二月才被刊出。
     

    湯川知道發現新粒子的消息後投稿到Nature,他主張新發現的粒子就是他論文中假設的U粒子,卻被退稿,所以湯川轉投到日本的期刊。到了1938年湯川寫了第三篇"湯川粒子"的論文,估計湯川粒子的平均壽命。接著又寫了第四篇湯川粒子的論文,主張除了帶正負單位正負電荷的湯川粒子之外還有不帶電的湯川粒子。湯川的研究群以湯川粒子理論為中心,研究的觸角伸到原子核作用,原子核β衰變以及宇宙射線的性質。
     

    1939年湯川秀樹回到京都大學成為那邊物理系的教授。不過當時逐漸發現Anderson 發現的粒子與原子核的交互作用不夠強,似乎依然無法解釋核力,直到戰後的1947年,英國的鮑威爾等人在宇宙射線中發現了π介子,才證實了湯川的核子理論。湯川秀樹本人則在 1948 年就受歐本海默之邀前往普林斯頓待了一年,與愛因斯坦等著名科學家成為好友。並留在哥倫比亞大學任教了四年之後,就在這段時間傳來湯川秀樹榮獲諾貝爾獎的喜訊,讓日本全國欣喜若狂。

     

    1953年湯川返國後在京都大學成立基礎物理研究院,並大力推動日本與西方的學術交流,為日本基礎科學在戰後得以迅速發展奠下基礎,在日本人心中占有極高的地位。戰後湯川致力於研究如何消除量子場論中的發散問題,他曾提議將量子場的相對性機率振幅可定義在一任意而封閉的時空區域的邊界上。但是這個非局所性(non-local)的量子場論一直無法成功。

     

    1981年 湯川在京都逝世。享年七十四歲‧

     

     

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