上期說到1935年湯川秀樹根據交換力的概念，他設想核力就是強相互作用當中應該也有一個作為交換的粒子——介子，大致一估算這個新粒子的質量要比電子大比質子小，質量大約是電子的200倍左右。到了1937年，發現正電子的安德森發現了一種粒子，之前沒見過，質量也剛好是電子的200多倍，安德森當時已經是助理教授了，有一天和他的一個助手尼德邁耶，他在實驗室里觀察磁云室里邊的粒子軌跡的照片，發現有一個軌跡長得不太一樣，所以在1937年他們就寫了一篇論文，結論就是要么就是現在的理論不對，要么就是存在新粒子！

為啥說有可能理論不對呢？因為這個粒子的能量特別大，速度快。這就像是，我們處理運動問題，低速的時候牛頓方程管用，高速就得用愛因斯坦的相對論了。所以在粒子能量高的時候（大于100MeV）有可能量子電動力學就不管用了，有人真就是這么懷疑的，物理學家奧本海默就是其中一位，他就說安德森觀察到的新粒子就是理論的局限性導致的，沒有啥新粒子。

在1937年湯川秀樹看到了安德森他們的論文，他肯定不會覺得是理論有問題，這就是我預言的介子！很快就在日本國內發表了一篇論文，表示安德森已經發現了預言的新粒子了，他還把宇宙射線中的介子稱為“宇宙介子”。

光說不行，還要驗證這個“宇宙介子”到底是不是他預言的介子，所以在1939年湯川就進一步研究，發現不對。有兩個問題，第一個他預言的介子根據理論值計算出來的壽命應該是10^-8秒，但是這個所謂的宇宙介子的壽命大約是10^-6秒，差兩個數量級。第二個問題，這個宇宙介子與物質間的作用十分微弱，那就不可能提供核力作用啊，核力太強了。總之，種種跡象表明，它更像是一個電子，大電子，最主要的是它還真能衰變成電子，當這個宇宙介子射入物體之后它就會變成一個電子然后放出兩個中微子。當時人們就把這種情況稱作是“介子佯謬”。就是說介子的理論和實驗是不相符的。

為了解釋介子佯謬當時的物理學家也是各執一詞，有說理論不對的，有說實驗不對的。但是有一個人為了保住理論和實驗兩個結果又提出了一個理論，叫做雙介子理論，這個人叫做坂田昌一。坂田曾經是仁科芳雄的學生，后來又跟隨了湯川秀樹，他是湯川的博士生。

1942年坂田說，宇宙介子是另外一種介子，它和湯川預言的介子是兩種粒子，那它們之間什么關系呢？湯川預言的介子會迅速發生衰變，變成宇宙介子然后放出一個中微子，宇宙介子又可以緩慢的衰變成一個電子然后放出兩個中微子。結果到了1947年英國的物理學家鮑威爾真的發現了雙介子的演變過程。鮑威爾的導師是發明云室的威爾遜，威爾遜又是盧瑟福的學生，所以也可以這么說，盧瑟福是鮑威爾的師爺，卡文迪許實驗室的后起之秀。1947年的時候鮑威爾受到導師威爾遜的啟發，心想能不能用別的辦法來檢測宇宙射線呢？于是他發明了一種使用感光乳劑的方法，同樣可以拍攝宇宙射線的軌跡，主要是感光乳劑便攜，不像云室必須要放在實驗室。1947年鮑威爾把感光乳劑用熱氣球給放到天上去了，結果發現干擾少了很多，宇宙射線也更加清晰了。其中有一組軌跡記錄的就是雙介子的衰變過程。一種介子變成另外一種介子了。這兩種介子質量都比電子大，但是第一個更大一些，后來人們發現這個介子才是湯川秀樹當年預言的介子，它的壽命是2.6*10^-8秒，質量是電子的273倍，與理論值完美吻合，我們現在稱作是π介子。而安德森所發現的“宇宙介子”，其實并不是介子，它的質量是電子的207倍，壽命是2*10^-6秒，現在叫做μ子（繆子）。至此湯川預言的介子理論和坂田所說的雙介子理論都被鮑威爾證實了。

所以湯川秀樹獲得了1949年的諾獎，鮑威爾因為發現了π介子于1950年也獲得了諾貝爾物理學獎。而安德森雖然發現了μ子，但可能是因為他之前已經因為發現正電子得過一次諾獎了，所以沒能再次得獎。這就像是歷史和我們開了個小玩笑，π介子和μ子在同一個階段發現，他倆大小又很像，但是歸根結底還是兩種不同的粒子。值得一提的是，第一個證明μ子不參與強相互作用的人是我國物理學家張文裕先生，張先生曾經在劍橋大學卡文迪許實驗室留學，也是盧瑟福的學生，這是我國宇宙射線研究和高能實驗物理的開創人之一。最主要的成就就是研究μ子，1948年，他不僅證明了μ子不參與強相互作用，而且還發現這個μ子和電子的性質很像，于是他成功使用μ子替換了原子中的電子，新合成的這種原子就被稱作μ原子。

至此，基本粒子的版圖不斷擴大。

作者：媽咪說科普創作者

審核：羅會仟中國科學院物理研究所副研究員

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