歷史 物理

粒子物理在東洋的先驅: 坂田昌一(上) 熱血的左翼物理青年

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撰文者:高崇文
發文日期:2018-09-17
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  • 科學史上常常有一些人物,雖然成就非凡,卻生不逢辰,碰上了一代巨星,世人的目光都被巨星給吸走了,使得這些身負才能之士,不僅在當代,甚至到了後世,都受到冷落,真是令人唏噓,像是牛頓身旁的哈雷,明明成就很高,卻常常只被當作是自然哲學的數學原理的催生者。今天阿文就來介紹一位傑出的日本科學家,坂田昌一,雖然在日本科學界以外,他的名聲往往被他的老師湯川秀樹還有朝永振一郎給掩蓋住,然而他的人生故事與科學成就,絕對值得一提,還請各位看官聽阿文娓娓道來,必會與阿文一樣為坂田桑嘆一口氣呢!

     

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    圖片來源:wikimedia common

     

    坂田昌一誕生於明治四十四年(1911)一月,他的父親坂田幹太 ,長州出身,是東京帝大法政科畢業的菁英,在當時最有權勢的內務省擔任官員。內務省可是當年大久保利通一手創立,可以稱之為明治政府權力中樞的機構,稱之為"天下第一省"毫不為過。當坂田昌一五歲時,他的父親前往四國的愛媛縣擔任知事,不滿一年後就轉任到同是四國的香川縣擔任知事。兩年後坂田幹太就離開公職,在大阪神戶地區落腳,轉往實業界發展,擔任過紡織公司 汽車公司等的社長。所以坂田昌一在神戶的舊制甲南高校完成中學學業,說起甲南高校,阿文在之前的"F計畫"中介紹過喔,甲南高等學校是當時新設立的一所私立高等學校。跟其他公立高校不同的是他強調體育與德育,而且學生人數很少,相對地學費也不便宜。據1938年的統計是當時學生家庭收入最高的學校呢。妙就妙在這裡居然成為左翼學生運動的大本營,1924年這所學校的「社会科学研究会加入了学生連合会,當時馬克思主義在日本校園內頗為風行,當坂田昌一在此就讀時,應該也受到相當的影響吧。前一年發生關東大地震,關西雖然沒有受到影響,但政治氣氛逐漸肅殺了起來。敏感的年輕人也感覺得到吧。

     

    坂田在1929年從甲南畢業,進入京都帝國大學物理系就讀。當時日本已經有七所帝國大學,依照建立的年代分別是東京(1886) 京都(1897) 東北 (1907, 仙台) 九州(1911 福岡) 北海道( 1918 札幌)京城(1924首爾) 台北(1928) 那一年湯川秀樹與朝永振一郎兩人剛從京都大學物理學系畢業,而且都留在京大當助理,所以坂田此時結識了這兩位日本物理界後來的巨人。兩年後,湯川繼續留在京都大學成為講師,而朝永振一郎則接受仁科芳雄之邀前往位在東京的理化研究所工作。當坂田在1933年從京都大學畢業時,日本又多了一所帝大,大阪帝大設立於1931年,而坂田則是到理化研究所加入朝永與仁科的團隊。兩年前(1931年7月)仁科芳雄就已經升上了主任研究員,並在理化學研究所內設立仁科實驗室,當時他是理研中最年輕的主任研究員。他的研究室做理論也做實驗。一方面他開始製作Wilson雲霧室,蓋格計數器以及高壓電離子加速器這些當時前驅研究必備的器材,另一方面也與朝永振一郎、坂田昌一開始利用量子場論計算正負電子對生成堙滅。他的第一篇論文就是此時寫成的。當柏克萊的勞倫斯於1932年發明回旋加速器後,仁科在1937年在理研也做出一臺,這是全世界第二臺。仁科將他在哥本哈根感受到的自由研究的氣氛重建在自己的研究室中,這對坂田有非常重要的影響。但是坂田沒有留在理化研究所,他在1934年就搬到大阪帝大跟湯川秀樹。(在此期間,湯川和大阪胃腸病院院長湯川玄洋的次女結婚,並入贅湯川家,由原來的姓"小川"改姓為湯川。本文都稱他為湯川是因為大家熟悉的緣故,在此說明一下)。湯川是前一年由新設立的大阪帝大的初代主任教授八代秀次請去大阪的。當時大阪大學的總長是曾提出土星環的原子模型的物理學家長岡半太郎。可以說坂田的學術生命一開始就與湯川以及朝永緊緊纏繞在一起了。尤其是湯川對坂田的影響更是深遠,所以以下讓阿文將湯川當時的工作好好地介紹一番吧。

     

    在大阪的時候,湯川開始發展他的介子理論,而他最得力的助手正是坂田。在這邊需要先交代一下當時原子核物理發展的情況。不久前(1932)英國的查德威克剛證實了中子的存在,而德國科學家海森堡隨即發表了論文,嘗試將質子與中子看作是一個粒子的兩個狀態,由此他提出了同位旋(isospin)的概念,(之所以叫這個名字,是因為它的數學形式與描述自旋二分之一的形式一模一樣,質子就像是自旋二分之一,Z方向分量也是+1/2的分量,中子則像是自旋二分之一,Z方向分量也是-1/2的分量,這個二元組的變換在數學上叫SU(2),但是同位旋與空間的轉動完全無關喔!這一點與自旋完全不同,所以同位旋是第一個被發現的"內在自由度"。)並試圖寫出以質子與中子為基本單位的核力理論,但是海森堡還是沒有放棄將中子視為質子與電子的束縛態的概念,原因之一是當時知道原子核會發生β衰變,中子會變成質子跟一個自由電子,但是這樣的理論架構有許多問題,最嚴重的莫過於中子的自旋是1/2,而電子與質子的自旋也都是1/2,簡單的量子力學告訴我們,兩個自旋為二分之一的狀態相加會變成自旋為零或一的狀態,不會是自旋二分之一的狀態!如何解釋這件事呢? 更麻煩的是如果電子存在於原子核中的話,那麼它們應該會感受到強大的電場讓它們加速到接近光速! 而這樣子的電子會產生強大的磁場而讓原子核外的電子的超精細結構變成很大!(事實上,這個問題原先正是湯川秀樹想要研究的,卻被義大利科學家費米先解決了!) 此外,依照海森堡自己發現的測不準原理,電子被束縛在原子核這麼小的區域,動量會變得很大,如何能當作原子核間核力的媒介? 這在當時都是一團迷霧,而湯川決定要挑戰這個問題! 當時他的同學朝永振一郎在理研與仁科正在研究n-p散射的問題,他告訴湯川,中子與質子的作用距離很短,這對後來湯川的研究很有幫助。

     

    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H2+ 兩個質子交換一個電子的作法改用中子與質子交換電子來處理,特別的是,湯川還想用海森堡與包立在1929年發展出來的量子場論來處理核力。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 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),這正是湯川期待的形式,因為當時已經核力與電磁力不同,核力的範圍是很短的。但是令湯川很沮喪的是,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。當他在仙台演講時,仁科芳雄曾建議湯川將核力的媒介由自旋1/2 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衰變而舉棋不定。但是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!微中子是包立在1930年就提出,但直到1933年的索爾維會議才公開發表的理論。眼看費米又出現了,想起先前的經驗,湯川不由得緊張起來了。

     

    1934年秋天兩個蘇聯科學家I. Tamm 與D. Iwanenko發表在Nature 的文章引起湯川的注意。這兩位蘇聯科學家嘗試用電子與微中子對來當作核力的媒介,結果發現要嘛核力距離變太長,要嘛核力變太弱,湯川秀樹認真地考慮了這個問題,據說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演講。湯川的理論預測了一個質量約電子質量兩百倍,自旋為零的粒子。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。當湯川將他的理論寫成英文論文而在Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan (1935)發表時,並沒有得到日本以外的物理界的重視,但是坂田在湯川的影響下,很快就成為介子理論的研究主力。他和湯川開始利用湯川的介子理論來研究所謂的電子捕捉過程,就是質子捕捉一個電子產生一個微中子與中子的弱作用。(這個過程最早是1934年義大利物理學家Gian Carlo Wick在其1934年發表的論文中首次討論到,後來1937年時西班牙裔美國物理學家、1968年諾貝爾物理學獎獲得者Luis Alvarez又在釩48中發現了K電子捕獲。他在《物理評論》(Physical Review)雜誌上發表了相關研究論文,報告了他的發現。) 此外坂田與湯川也採用包立與魏斯考夫之前所發展自旋為零的量子場論架構來描述介子。大阪帝大以湯川為中心形成了一個活力旺盛的研究群,而其中坂田扮演了相當吃重的角色。

     

    1937年春天物理學家Niels Bohr 來日本訪問,湯川興沖沖地請教Bohr,但是Bohr完全不感興趣,只說了句"你希望有新粒子嗎"? 但是就在Bohr離開日本的時候,消息傳來,美國加州理工學院的科學家Carl Anderson 與 Seth Neddermeyer早在1936年時就發現宇宙射線在電磁場中的運動時,發現了一種彎曲程度不同於電子和其他已知粒子的徑跡。根據在磁場中的偏轉方向能夠判斷這種粒子帶有帶負電,對於同樣的速度,這種粒子的偏轉半徑比電子的大得多,同時又比質子的小的多。他們假定這種粒子帶有與電子相同的電荷量,由此他們計算出這種粒子的質量介於電子和質子之間,大約是電子的200倍!但直到1937年五月他們的文章才登在Physical Review 上。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,阿文會仔細分辨,請看官們別搞糊塗了。後來海森堡指出依照希臘文的規則,應該叫meson,所以Mesotron就變成meson了。湯川知道消息後投稿到Nature主張新發現的粒子就是他論文中假設的粒子,卻被退稿,所以湯川轉投道日本的期刊。但是沒多久,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。看來當時西洋的科學界完全不把日本科學家放在眼裡,但是情況已經開始轉變。1937年可以算得上是日本物理學家們踏上世界舞台的開端了。而這一年也正是日本大規模侵略中國的開始。不過遙遠的中國戰場還沒影響到象牙塔裡的物理學家們。

     

    到了1938年一月,Nature 刊登了印度科學家Bhabha 的一篇短文,提到新的粒子不但負責傳遞核力,而且會衰變成電子與反微中子。湯川與坂田討論後與湯川的學生武谷三男合寫了第三篇"湯川粒子"的論文,估計湯川粒子的平均壽命。接著與朝永振一郎的一個學生小林一起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,而坂田可以算得上是研究群的靈魂人物之一。不過時局日益緊張,武谷三男在1938年九月被捕入獄,坂田偷偷塞了論文讓武谷三男到獄中讀,想來坂田等人也是活在特高的監視下吧。

     

    1939年湯川秀樹回到京都大學成為那邊物理系的教授,(事實上湯川是在前一年在大阪帝大以On the interaction of elementary particles(素粒子の相互作用に就て)的論文拿到博士學位的! ) 坂田也跟隨湯川到京都大學擔任講師。這段時間坂田的研究以湯川粒子的衰變性質為主。他在1941年的五月以"中間子の自然崩壊の理論について"(關於介子自發衰變的理論) 取得京都帝國大學理學博士的學位。這段時間他最重要的主張應該是不帶電的湯川粒子會衰變成兩個光子的主張,這個反應後來引發了所謂"Anomaly"的問題,這問題牽扯甚廣,阿文當日後撰專文來詳述。隔年坂田就到創立於1939年,以名古屋醫科大學為基礎的醫學部、新設立的理工學部,合併而成的名古屋帝國大學去任教。坂田昌一在名古屋大學一直待到他過世為止。在這裡他不僅不斷構思新的物理理論,更培育了新一代的理論粒子物理學的新秀,而被稱為"名古屋學派"。接下來就讓阿文為您細數一下他的各項功績吧!

     

    當他到了名古屋之後,第一件重要的工作是與井上健提出"二中間子論",他們是第一組懷疑在宇宙線發現的新粒子,中間子,可能並不是湯川秀樹所提的U粒子,而且他們認為湯川秀樹的U粒子會衰變成一個Anderson 發現的中間子與一個微中子。這個理論是坂田等人與湯川秀樹的學生谷川安孝討論之後得到靈感的。主要的原因是這個中間子的穿透性太強,與原子核的作用不夠強。但是這個理論在當時不僅湯川秀樹,朝永振一郎不喜歡,連向來與坂田最親近的武谷三男都不看好。(武谷三男於1939年出獄,在湯川的安排下在京大當助理)因為當時湯川與朝永都試圖解決量子場論中的發散問題,他們認為解決了這個根本問題之後,現象學上的枝節問題就能迎刃而解。在1943年的一次會議中,坂田試圖為他的新理論辯護。當時的理論計算可以看作是量子場論(有時甚至是量子力學)的應用,理論所用的自由度都是沒有結構的"基本粒子"所對應的場。而理論所採用的形式也限定少數的幾種。但是坂田認為當理論與實驗無法吻合時,應當分成三個階段來檢討,首先是檢討模型是否適用,其次是量子理論是否適用,最後才是理論的數學架構是否正確。坂田認為現象學上的問題應該優先從模型下手,他以此來為自己的"二中間子理論"來辯護。從這個工作可以看出坂田擺脫了兩位前輩湯川與朝永的陰影,走出自己的道路了。

     

    由於太平洋戰爭在1941年十二月七日爆發了,所以坂田的工作要到1947年底才被外界知道。當Shelter Island 會議在1947年的六月召開時,會議的第三天則是討論與中間子理論相關的議題,特別是Robert Marshak 提出之前發現的在宇宙線發現的粒子並非湯川粒子,並懷疑真正的湯川粒子尚未被發現,與坂田的二中間子理論若合符節,但是當英國的Bristol 大學由Cecil Frank Powell,Cesare Mansueto Giulio Lattes (巴西人),Giuseppe Paolo Stanislao "Beppo" Occhialini (義大利人) 組成的實驗組發現湯川粒子(現在稱之為為π介子)時,一般都只提到Robert Marshak,而忘了坂田研究群的功勞。其實π介子還是在宇宙線中發現的,由於π介子很快就會衰變,Bristol實驗團隊在很長一段時間之內都需要把感光乳膠放在海拔很高的地方,最初在庇里牛斯山的Pic du Midi de Bigorre,後來搬到了安第斯山的Chacaltaya,趁π介子還沒衰變前,讓感光乳膠暴露在高能射線中。在覆蓋好這些實驗品之後,研究者通過顯微鏡觀察到了帶電粒子的蹤影。隨著加速器的進步,1948年,Lattes和Eugene Gardner採用加州大學伯克萊分校的粒子加速器,用α粒子轟擊碳原子,成功地人造出π介子!不帶電荷的π介子則是稍後在1950年,在伯克萊的回旋加速器中被觀測到了,正如坂田所預測的,這個不帶電的π介子真的衰變成兩個光子。同一年不帶電的π介子也在宇宙線中被找到了。1949年湯川秀樹獨得諾貝爾物理獎,隔年Cecil Frank Powell 也因發現π介子獨得諾貝爾物理獎!當湯川得獎時,日本還在GHQ的佔領下,面對因戰敗而殘破不堪的家園,日本物理學家帶來的國民榮譽感,是無與倫比的重大呀。

     

    坂田桑在名古屋大學後來又推出哪些理論? 他在戰後日本又有哪些作為? 這些就請各位稍待,讓阿文下回為您分解了。

     

     

    參考資料

    (一)中文 日文 英文 維基 相關條目

    (二) Yukawa Meson, Sakata Model and Baryon-Lepton Symmetry Revisited

        by Robert E. MARSHAK

    (三) Early History of Cosmic Ray Studies: Personal Reminiscences with

        Old Photographs 由 Yataro Sekido,Harry Elliot 編輯

    (四) On Sakata's Scientific Research and Methodology

        by Shuzo OGAWA(小川 修三)

    (五)坂田学派と素粒子模型の進展  by 小川修三

    (六) Hideki Yukawa and the meson theory by Laurie M. Brown

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