1932年對于物理學來說，是不平凡的一年，這一年人類發(fā)現(xiàn)了中子，發(fā)現(xiàn)了正電子，中微子也正式被預言。自從中子被發(fā)現(xiàn)之后，人們意識到原子核實際上是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成的，然后原子核的外圍圍繞著電子，這就是我們熟悉的原子模型。

但很快人們又意識到一個問題，是什么力量能夠讓質(zhì)子和中子老老實實的在原子核里呆著呢？你可能會認為質(zhì)子帶正電，中子不帶電，它倆擠在一起也沒什么問題吧？一個質(zhì)子和一個中子好像是沒什么問題，可是如果是氦原子核呢？它有兩個質(zhì)子兩個中子。質(zhì)子和中子之間雖然沒有電磁力，但質(zhì)子和質(zhì)子之間應該是相互排斥的啊。所以這個神秘的力量肯定不是電磁力。氦核才有兩個質(zhì)子，比較重的原子核，有100多個質(zhì)子的呢，他們也能擠在原子核里，要是電磁力早都相互彈開了，而不是約束在一起。那會不會是引力呢？引力確實是相互吸引的，而且與電性無關(guān)。人們發(fā)現(xiàn)也不可能是引力，因為質(zhì)子和中子受到的力有一個特點，就是這個力只在原子核范圍內(nèi)有效，也就是10^-15m范圍內(nèi)有效，出了原子核就會立刻消失，比如說轟擊質(zhì)子，只要沒把質(zhì)子轟擊出原子核以外，它就出不去，只要把質(zhì)子轟出原子核一點點，這個力立馬就消失了，質(zhì)子就高速逃脫了。這種力我們叫做短程力，就像是有一層隱形的膠水兒一樣。而我們熟知的引力和電磁力都是長程力。看來這又是一種沒見過的力量，所以當時的物理學家把這個力給起了個名叫做核力，也叫做強相互作用力。于是，很多人都投入到對于核力的研究。其中就包括今天故事的主人公，來自物理學家湯川秀樹。

1932年，湯川把核力和電磁力進行了對比。當時的電磁力人們有了一種新的認識，海森堡最早提出了交換力的概念，我們來簡單說一下。我們正常理解的引力和電磁力，其實只是對于自然規(guī)律的總結(jié)。比如說兩個大質(zhì)量天體可以相互吸引，為什么呢？因為萬有引力，可是細想這并不是本質(zhì)原因，就是為什么會具有萬有引力呢？電磁力也是一樣，同性相斥異性相吸背后的原因是啥呢？我們也不知道電磁力具體產(chǎn)生的原因，反正知道有這個力，還有公式能計算。這是根據(jù)自然規(guī)律總結(jié)出來的公理，公理是不證自明的。自然科學的公理就是自然規(guī)律，這也是我們判斷科學與否的依據(jù)。而數(shù)學就不一樣，數(shù)學可以有公理也可以有公設，就是假設的公理，認為規(guī)定。比如說以三角形內(nèi)角和為180度為公理，那就會得到歐式幾何。如果我們規(guī)定三角形內(nèi)角和不為180度，那就會得到非歐幾何。這兩種都是邏輯完備的。

總之一旦我們開始思考自然科學的公理為什么會是這樣，那問題就會變得復雜了。比如說為什么會存在電磁力？量子力學建立以后，人們貌似找到了一個原因，就是量子場論中量子電動力學的基本假設，在量子電動力學中認為，電磁力是通過交換光子的方式來實現(xiàn)力的相互作用的，舉個例子，比如說這有兩個質(zhì)子，它倆都帶正電，為什么會相互排斥呢？因為兩個質(zhì)子在相互發(fā)射光子，所以彼此會相互排斥，當然這種方式只是處理問題的一種手段，我們只需要知道，電磁力就是靠光子來傳遞相互作用的就可以了。那引力呢？靠引力子來傳遞相互作用，不過引力子到現(xiàn)在也沒發(fā)現(xiàn)，還是未解之謎。弱力靠什么粒子傳遞呢？

湯川就是根據(jù)電磁力進行類比，推測如此強的核力也應該是通過一種粒子來傳遞相互作用的。可是是什么粒子呢？他最開始就假設應該是電子，強相互作用力就是通過交換電子發(fā)生的相互作用力。但很快發(fā)現(xiàn)不行，電子質(zhì)量太輕了，如果核力是交換電子那不可能有那么強，湯川就又回去接著思考，那能是交換什么粒子呢？

到了1934年他看到了費米關(guān)于β衰變理論的論文《試論β射線理論》，這其中就寫到了泡利預言的中微子。看完之后湯川醍醐灌頂，為啥非要在已知粒子中找呢？完全有可能是新粒子啊！于是就趕緊拿起筆大概測算了一下這個粒子的屬性，如果想要達到核力這么大的力，那作為交換的這個粒子，它的質(zhì)量就應該大約是電子靜止質(zhì)量的200倍左右，一看這個質(zhì)量就知道只能是新粒子，因為當時已知的粒子中沒有這個質(zhì)量的。可是如果真的存在這個粒子為啥還沒被人們發(fā)現(xiàn)呢？因為它的壽命特別短，只有10^-8s左右，湯川當時給自己預言的這個新粒子起了個名叫做“重量子”，后來是印度物理學家巴巴，他說“重量子”也不具有代表性，你看這個粒子的質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間，那就叫介子吧。介子可以帶點可以不帶電，因此湯川大致估計不算反粒子的話介子應該有三種。就這樣，1935年，又一個新粒子被預言了，1949年湯川秀樹因此獲得了諾貝爾物理學獎，摘得日本第一塊諾貝爾物理學獎牌。那介子又是誰發(fā)現(xiàn)的呢？

作者：媽咪說 科普創(chuàng)作者
審核：羅會仟中國科學院物理研究所副研究員

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來源: 星空計劃

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