這次從幾個日本人開始講起，也順便補充一下有關(guān)強相互作用的內(nèi)容。說補充一下是因為對于強相互作用的研究其實在20世紀30年代就開始了，但之前講的主線是量子力學(xué)的創(chuàng)立，然后就是不確定性原理引起的論戰(zhàn)，比如愛因斯坦和玻爾的大辯論，還有薛定諤帶著他的寵物貓，說的都是這些事。后來就打二戰(zhàn)了，大家的注意力都在研究原子彈上了?，F(xiàn)在原子彈工程已經(jīng)過去了，而且戰(zhàn)后的物理學(xué)家也都在搞有關(guān)跟強相互作用的東西，那么就把這方面補充上。

在查德威克發(fā)現(xiàn)中子以后大家對這事都很好奇，原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，而中子是不帶電的，那么它們彼此抱團是完全可以的，雖然它們之間不互相排斥但是也粘不緊。質(zhì)子是帶正電的，那么它們彼此之間應(yīng)該是會相互排斥的，到底存在一種什么樣的力在起作用能使得它們抵御電磁力的作用呢？有一個人對這個問題很著迷，著迷到以至于他晚上都睡不著覺，這個人就是日本的湯川秀樹。湯川秀樹出生在一個日本的書香門第，他爹是京都大學(xué)的一位地學(xué)教授，地學(xué)就是研究地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)，他老爹在這兩方面都有建樹。湯川秀樹從小就喜歡各種各樣的知識，書畫、考古、刀劍、圍棋什么的他都喜歡，恰好這幾項還是日本人標準文化，他還特別喜歡中國文化。因為他爹是大學(xué)教授，所以見識比較廣，在教育孩子方面也開明，他沒逼著孩子非要學(xué)啥專業(yè)，而讓孩子自己選擇將來的發(fā)展前途，所以湯川秀樹就把目標選定在了物理學(xué)上，那時候的日本還相對落后，湯川秀樹就拼命搜集各種各樣的資料，他特別喜歡搜集量子力學(xué)方面的資料。他自己啃遍了德國的論文，海森堡薛定諤之類的論文他都啃了一遍。當(dāng)他看這倆人論文的時候就隱隱約約覺得這兩者最后應(yīng)該是統(tǒng)一的，到后來他看到了玻恩的幾率解釋，他就非常開心，他覺得波恩的想法跟自己是一樣的就覺得很自豪。

湯川秀樹

到了1932年他開始擔(dān)任講師一職，而且是無薪助教，簡單說就是沒多少工資，那時候正好是大蕭條時期，他也表態(tài)不拿薪水才弄到個職位，后來他說正是大蕭條造就了學(xué)者，因為別的工作他也找不著。那時候正好是量子力學(xué)的快速發(fā)展期，而且原子核物理也在高速發(fā)展。那時候他就覺得不能跟著熱門屁股后面走，畢竟量子力學(xué)搞的人太多了自己出來也沒啥競爭力，不過原子核內(nèi)部強相互作用的研究搞的人好像很少，他就一頭扎到里面了。他滿腦子都在想強相互作用的奧秘，想的他白天迷迷糊糊，夜里睡不著覺。好不容易迷糊了一會天就亮了，結(jié)果白天接著犯困，又迷迷糊糊過一天。就在他半夜迷迷糊糊的時候，腦子里會經(jīng)常閃現(xiàn)出各種原子核的模型，等早上起來又都記不清了。他沒辦法啊，就在枕頭邊上備著紙筆，他就希望把這些靈光乍現(xiàn)給記下來。最后他還真記下來一大堆奇思妙想，等白天他仔細一推敲，發(fā)現(xiàn)這些想法根本不靠譜，畢竟也不是說做夢的靈感都那么靈，人還是需要系統(tǒng)的思考，不能全靠腦洞的。不過湯川秀樹還真鍥而不舍，他一直在思考到底是什么樣的作用在捆綁著原子核里面的質(zhì)子呢？這時候電磁場方面的研究已經(jīng)比較成熟了，狄拉克他們一幫人在研究電磁場的量子化。在量子力學(xué)的初期，物理學(xué)家其實都是在跟電磁力打交道，主要就是在研究電子運動規(guī)律的問題?，F(xiàn)在大家都知道電磁力基本上可以認為是不斷的交換光子而產(chǎn)生相互作用的，電磁場方程，也就是麥克斯韋的場方程經(jīng)過量子化處理之后就能看到電磁波最后就是一個光子，而電磁力則是交換虛光子來相互作用的，虛光子是無法直接檢測，因此才叫做虛光子。湯川就想是不是核子之間也是通過傳遞一種粒子來產(chǎn)生相互作用的呢？因為海森堡已經(jīng)提到過，核子之間的作用力應(yīng)該是交換力，所謂的交換力就是互相交換粒子。湯川就把他的想法給提出來了，1933年4月在仙臺的一次會議上，他就遞交了自己的一份論文，他認為核力應(yīng)該是一種短程力，也是來自于交換電子產(chǎn)生的。結(jié)果論文剛一發(fā)，就被仁科芳雄給批評了一頓，因為他知道，交換電子根本不夠用，電子的質(zhì)量太小了。到了1934年，湯川從一本雜志上看到費米的文章，費米寫的就詳細多了。說電子中微子可能可以當(dāng)作交換粒子來用的，費米的意思就是說核子之間交換的就是電子中微子，所以才把它們擰住。但是湯川也想電子中微子的質(zhì)量太小了，根本就產(chǎn)生不了那么強大的核力。這事就讓湯川秀樹虛驚一場，他以為費米把這事搞定了，但是看完論文以后發(fā)現(xiàn)費米還是沒把這事搞定。后來，湯川就提出了他的理論，他認為質(zhì)子、中子這種核子之間，都是彼此在交換一種比電子要重，但是比核子要輕得多的粒子來產(chǎn)生吸引力的，這樣才能把所有核子給擰到一塊，這樣原子核才能夠不散架子。這個粒子絕對不是已知的粒子，不能老在已知的這些個粒子里面打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，在已知的粒子里它們沒一個夠格的。但是接下來麻煩又來了，到底這個粒子有多大呢？可不可以觀測到呢？像電磁作用的虛光子，那就是不可以觀測的。湯川君，這個粒子能不能觀測?。克降子卸啻蟀。恳遣恢来笮?，那么怎么去做實驗檢測啊？就好比警察抓犯人，不給個體貌特征讓警察上哪兒抓去?。繙ㄐ銟浜芮擅畹慕鉀Q了這一問題。他計算出來，這個粒子應(yīng)該有200個電子質(zhì)量，這個200倍的電子質(zhì)量是怎么估算出來的呢？說來很簡單，靠的正是海森堡大名鼎鼎的測不準原理。這倒奇怪了，測不準原理居然能測準東西？這是怎么回事兒??？原來，湯川君并不是要精確計算介子的質(zhì)量，他只是估算一下大概多重，只要數(shù)量級不錯那就OK了。我們知道測不準原理有一個表述是能量的誤差和時間的誤差相乘，大概是普朗克常數(shù)這個量級，數(shù)學(xué)表述就是Δt*Δe≈h。也就是說這個時間越精確，那么能量就越不精確。能量測的越精確，那么時間就越不精確。那么假如毛估一下數(shù)量級，那還是可以做到的。介子就在原子核里面活動，想來活動范圍就是一個原子的直徑。我們不知道它的運動速度，滿打滿算以光速運動，用原子核的直徑和光速，那么時間就可以大致確定，那么就可以反推出來有多大的能量級別。根據(jù)能量公式，就是大名鼎鼎的E=mc^2就可以估算出介子的質(zhì)量。計算以后，得到結(jié)果大約是200個電子質(zhì)量?？梢詭д姡部梢詭ж撾?，也可以不帶電，這就暗示可能粒子不止一種，還有好幾種。但是在當(dāng)時，沒人喜歡這種沒人看到過的新粒子。所以1937年的時候，玻爾訪問日本就碰上湯川秀樹了，聊了之后他就不贊成湯川秀樹這個想法。同樣海森堡也不喜歡湯川的想法。湯川就把論文寄給美國的物理評論雜志，當(dāng)時小有名氣的奧本海默就把論文給扔一邊兒去了。要想讓人們承認這個粒子的存在，那就必須在實驗室里面找到這種粒子，找到以后那大家就都沒話說了，心服口服?？墒悄菚r候想弄出這個粒子，需要很大的能量，放射性物質(zhì)自發(fā)衰變的那種能量很小，根本就不夠用。那還有其他辦法嗎？用加速器，把能量加上去就可以了。可是那年頭加速器還是草創(chuàng)期，搞不了多大，那時候搞出來第一個加速器只有12厘米大，端在手里都可以。那么只有去研究宇宙射線了，這東西能量大，所以他就去研究宇宙射線，說不定能發(fā)現(xiàn)這東西的蹤跡。在1936年，美國人安德森和尼德邁耶就發(fā)現(xiàn)在宇宙射線里面的確有一種粒子，用威爾遜云室看見它的軌跡了。它質(zhì)量明顯比電子大得多，但是又比質(zhì)子小得多。這玩意到底是個啥？他們就寫成論文發(fā)表了。發(fā)表了以后湯川心里樂開了花啊，這不就是自己預(yù)言的那個粒子嘛，他寫了份論文寄給了英國的自然雜志，結(jié)果人家直接給拒了。英國的不要倒是印度的一位物理學(xué)家給湯川君點了個贊。人家發(fā)表了論文，給湯川君的這個粒子起名字叫做“介子”。自此湯川的理論得到了大家的認可，后來大家深入研究下去，發(fā)現(xiàn)這東西跟湯川的預(yù)言對不上茬啊。后來是三個意大利物理學(xué)家為了躲避德國人的抓捕躲到一個地下室小黑屋里不敢出去，他們就在小黑屋里面悶頭計算。就發(fā)現(xiàn)這個粒子其實不是湯川粒子，大家虛驚一場。整個大戰(zhàn)期間，好多事都被耽誤了，物理學(xué)界要么去造原子彈了，要么沒有了科研經(jīng)費，只能自己在家憋著。一直到了戰(zhàn)后，大家在喘了口氣上來，大家繼續(xù)回歸書齋繼續(xù)做科學(xué)研究。到1947年，英國人就用氣球釣了個照相設(shè)備到高空，他們用乳膠照相的辦法在高空拍攝到了清晰的宇宙射線軌跡。結(jié)果就發(fā)現(xiàn)有一個軌跡很奇怪，一個粒子的軌跡在半途中發(fā)生了改變，好像變輕了一點兒，這事兒非常奇怪。那時候，湯川一伙日本人已經(jīng)跟美國的馬沙和貝特都不約而同的提出了雙介子理論，也就是說，介子不止一種。這回英國人的照片清晰的顯示出了這一點，后來他們的解釋是這樣的，一個π介子，在途中變成了另外一種μ介子，π介子才是湯川當(dāng)初預(yù)言的那種粒子。安德森用威爾遜云室觀測到的是μ介子，后來意大利人悶頭在小黑屋里面算的就是這個μ介子。到了1949年，湯川因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這也是第一個獲得炸藥獎的日本人。更讓日本人自豪的是，這個湯川可是土生土長日本自己培養(yǎng)的，人家沒留過學(xué)。不過得了獎以后，奧本海默立刻就把湯川君請到了普林斯頓去了，人出名了，待遇就不一樣了是吧，奧本海默當(dāng)年可不是這么客氣的。二戰(zhàn)期間，好多日本科學(xué)家都參加了軍事科技的研究，比如說仁科芳雄就算一個。日本也想搞核計劃，最后沒搞出來，領(lǐng)頭的就是這個仁科芳雄。要是跟軍事挨不上邊兒的，那就只能一邊兒涼快去了，那沒辦法。比如有的物理學(xué)家就不得不去研究雷達、搞磁控管。磁控管是做大功率無線電設(shè)備的關(guān)鍵部件，特別是雷達這種東西。他還寫了一篇有關(guān)磁控管的論文呢！不過他還是呼吁，再艱難也要搞學(xué)術(shù)研究，不能傻等著啊。此人就是湯川秀樹的同學(xué)，他叫朝永振一郎。

朝永振一郎

這位朝永振一郎跟湯川秀樹可不一樣。他父親是西洋哲學(xué)的研究者朝永三十郎。朝永振一郎出生于京都，在第三高等學(xué)校畢業(yè)后，進入京都帝國大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)系就讀。后來在仁科芳雄的手下搞研究。他1937年出國留學(xué)去了德國，在海森堡的指導(dǎo)之下學(xué)習(xí)量子力學(xué)和原子物理。也就是說朝永振一郎那是標準的海歸啊，而且是在量子力學(xué)開創(chuàng)者的直接指導(dǎo)下，那可不一般了，跟著海森堡研究原子核的液滴模型，后來回了日本。其實從量子電動力學(xué)草創(chuàng)時期起，就有一個麻煩就困擾著物理學(xué)界，那就是發(fā)散問題。狄拉克推導(dǎo)出了狄拉克方程，為的是統(tǒng)一協(xié)調(diào)相對論和量子力學(xué)，這個方程還奇跡般的預(yù)言了反粒子的存在，而且狄拉克也對真空給予了重新的解釋?？瓷先コ四菐讉€該死的無窮大，一切都很完美啊?？上闊﹣砹耍闊┱浅鲈诹孔与妱恿W(xué)上，因為量子電動力學(xué)是人類有史以來搞的最精確的一門學(xué)問，實驗誤差到了百億分之一的級別。狄拉克方程就預(yù)言，氫的2s和2p兩個能級應(yīng)該是一樣的。當(dāng)時的實驗精度下，大家一測量的確是這樣啊。但是到了二戰(zhàn)以后，實驗技術(shù)大大提高，這主要是大科學(xué)工程的功勞，說白了就是原子彈工程的副作用。1947年，有個叫蘭姆的科學(xué)家就做實驗，他精確的測定了發(fā)現(xiàn)氫的兩個能級2s和2p其實是有微小的能級差的，這個能級差這被稱為“蘭姆位移”。蘭姆本人因為這次精彩的測量而獲得了1955年的諾貝爾獎。這可麻煩大了，這個能級誤差哪來的？1955年跟他同時獲得炸藥獎的獲獎?wù)呓袔焓l(fā)現(xiàn)了另一個撓頭的現(xiàn)象叫反常磁矩，因為他測量磁矩測的及其精確。他老師就是拉比學(xué)派的創(chuàng)始人拉比，大家對拉比可能不熟悉，但是提到一個詞兒叫核磁共振，大家應(yīng)該不陌生，核磁共振的基本原理就是這位拉比搞出來的。庫施發(fā)現(xiàn)磁矩測的及其精確就跟以往的理論對不上，誤差雖然看上去很微不足道，但是因為量子電動力學(xué)實驗做的實在太精確了，誤差還是不能忽略。朝永振一郎對此當(dāng)然都很清楚，他1941年任東京文理科大學(xué)物理學(xué)教授的時候，他就提出過量子場論的超多時理論。要不說呢，機遇就偏愛就準備的頭腦啊，人家早就考慮過這個問題，只是二戰(zhàn)的時候沒空，人家二戰(zhàn)的時候研究雷達去了。打完仗了，人家又開始考慮學(xué)術(shù)問題了，他就在原來的基礎(chǔ)之上提出了一種辦法解決這些頭疼的問題，叫做重正化。論文一發(fā)表，大家全收傻眼了。為啥??？因為就在此時，有三個人差不多同時提出了重正化的方案。搞重正化的小組其實還有不少，大家的主要方向就是蘭姆位移和反常磁矩。有一個就是非常頑皮的費曼先生，他搞出了個東西叫費曼圖。還有一位是脾氣非常怪異的施溫格，這位仁兄好像生活作息晝夜顛倒，下午4點半起床就算是難得了，他基本都是6點才起床，每天的第一頓飯是晚飯，這完全是個另類啊。現(xiàn)在又從日本冒出一個朝永振一郎。這三個人的辦法好像都行得通，但是三個人的辦法又有差異，這可叫人昏倒。

施溫格

那是不是又像當(dāng)年海森堡和薛定諤似的，看上去方法很不一樣其實最后算出來的等效的呢？那很有這種可能。這幾種辦法背后是一回事兒嗎？如果是等效的又有誰能統(tǒng)一這三種方法呢？請看下回分解。