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【日本人与诺贝尔奖】天才少年汤川秀树——日本第一位诺奖得主

2019年04月02日 科学家访谈
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日本人第一次获得诺贝尔奖是在1949年,太平洋战争战败后的第四年。当时,很多城市都在美军的空袭中化为废墟,百姓食不果腹,为了生存拼尽全力。

这时传来京都大学教授汤川秀树成为日本第一位诺贝尔奖得主的新闻。汤川当时仅42岁,在亚洲人中是继印度作家罗宾德拉纳特·泰戈尔和物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼之后的第三位诺奖得主。

那个时候,日本国民第一次了解到诺贝尔奖是世界上最有价值的奖项。全国上下对在理论物理学这个深奥的领域,能获此殊荣感到非常骄傲,从此也激发了日本人的自信心。

汤川出生于京都,曾在大阪居住过一段时间,但人生的大部分时间都是在京都度过的。从5岁左右开始就被祖父要求诵读中国的古文。虽然汤川并不理解那些古文的意思,只是单纯地跟着祖父朗读,但逐渐养成了习惯,长大后对阅读也没有任何抵触。

汤川获奖成名后,经常被人拜托题字。或许是出于诵读中国古文的经历,他根据中国战国时期的思想家庄子的《秋水》中的最后一句话,写下了“知鱼乐”。

日本人与诺贝尔奖 天才少年汤川秀树——日本第一位诺奖得主

当时报道汤川获诺贝尔奖的报纸

日本人与诺贝尔奖 天才少年汤川秀树——日本第一位诺奖得主

获奖时的汤川秀树

高中时阅读英文版《量子论》

中学时代的汤川是一个沉默寡言,毫不起眼的少年。甚至被父亲说过“不知道在想什么”。

不过,汤川在少年时代就展现出了自己的才能,他用4年时间读完中学,然后跳级进入三高(现为京都大学)。1924年,高二的汤川开始阅读物理学文献,经常前往丸善京都支店的外文书籍区,在数学和物理学的书架前度过了许多时光。

在那里,汤川看到了德国物理学家弗里茨·赖歇(Fritz Reiche)写的《量子论》,是德语的英文译本。汤川晚年跟后辈提起这段往事时说:“光凭高中学的物理知识很难完全理解书中在讲什么。正因为有不懂的地方,才觉得赖歇的书有趣。比之前读过的任何一本小说都有趣”。

通过这本书,汤川自学了德国物理学家马克斯·普朗克1900年提出的量子假说和丹麦物理学家尼尔斯·玻尔1913年提出的原子结构学说以及相关的原子、分子和光谱学等。

预言存在介子,促进量子理论发展

原子核是非常微小的颗粒,半径约为1×10^(-14)米,由质子和中子构成。质子带正电,彼此之间会相互排斥,而中子不带电,没有作用力。尽管如此,核子仍然紧紧聚集在一起,因此汤川认为一定是因为还存在其他的“核力”。

汤川把具备这种核力的粒子命名为介子。他认为,质子和中子通过像投接球一样相互投掷介子实现了紧密结合。

汤川的介子理论源自海森堡、爱因斯坦、查德维克等创立量子力学的优秀先驱者们的成果,是在量子力学的黎明期诞生的划时代理论。

汤川在半径约为1×10^(-14)米的极微小世界中计算出介子的质量约为电子的200倍。由于质量介于质子和电子之间,所以汤川将其命名为介子。

1934年,汤川在于大阪和东京举办的日本数学物理学会上发布了上述研究结果,第二年(1935年)又在英文学术杂志上发表了题为“关于基本粒子的相互作用Ⅰ”的论文。不过,论文反响平平,同年1月汤川向英国《自然》杂志投递了介绍介子理论的简报,但未被采用。

但是在1937年,美国加州理工学院的物理学家安德森和内德米尔等人,在云室中留下的宇宙射线径迹中,发现了质量约为电子200倍的粒子,汤川理论立刻受到关注。

日本人与诺贝尔奖 天才少年汤川秀树——日本第一位诺奖得主

试译:著作《向创造飞跃》(讲谈社学艺文库)

汤川接连获得诺奖提名

汤川首次被提名为诺贝尔奖候选人是在1940年。据后来了解,诺贝尔奖评选委员会详细查证了汤川预言的介子,并撰写了一份报告。

受第二次世界大战影响,1940年至1942年暂停了诺贝尔物理学奖的颁发。1941年爆发太平洋战争,日本被全球的科学界孤立起来。不过,因发现电子的波动性而于1929年获得诺贝尔物理学奖的法国物理学家德布罗意公正地评价了汤川的成就。他于1943和1944年连续2年提名汤川为诺奖候选人。

战争结束后,汤川于1945年、1946年和1948年也分别获得外国著名理论物理学家的提名,他的成就在业界得到的评价越来越高。对汤川获奖起到决定性作用的,是英国物理学家鲍威尔。鲍威尔在宇宙射线中发现介子,证明了汤川预言的正确性。

鲍威尔认为,从太空深处飞向地球的高能宇宙射线中肯定存在汤川预言的介子。因此他想到一个方法,即制作厚的照相底片,在位于高原上的天文观测站放置一周时间,冲洗后调查留在底片上的粒子径迹。为寻找未知粒子,鲍威尔在全球各地的高原反复实验,终于在1947年发现了粒子径迹。

1948年,加州大学物理学教授劳伦斯等人尝试利用名为回旋加速器的加速器来形成汤川介子。从鲍威尔等人的发现中得到启发的劳伦斯调查了回旋加速器生成的径迹。不出所料,此次也发现了目标粒子。不仅是宇宙射线,还利用加速器人工形成了介子,由此证明汤川的预言是正确的。

1949年,提名汤川为诺奖候选人的研究人员达到11人。其中1人未赶上提名截止日期,被顺延至第二年。剩下的10位提名者中,有6人为麻省理工学院的物理学家,此外还包括凭借胶体的基础研究于1926年获得诺贝尔化学奖的瑞典化学家斯韦德贝里等重量级人物。

诺贝尔物理学奖委员会抽调6人详细进行了研究,最终5人同意将当年的诺贝尔物理学奖单独授予汤川,1人反对,认为通过实验物理学证明了介子存在的研究人员应该与汤川共同获得该奖项。不过,瑞典皇家科学院的大会决定按照委员会的推荐,将奖项单独授予汤川。

晩年参加反核运动

汤川在太平洋战争快结束前加入了以日本海军为中心的原子弹开发项目组,不过在该项目正式启动前战争就结束了。之后汤川积极参加反核运动,还在呼吁废除核武器的《罗素-爱因斯坦宣言》上签名。

此外,汤川还于1957年出席了由提出弃核的科学家等组织的第一届帕格沃什会议,呼吁实现无核世界。

文/ 马场錬成(科学记者)
编辑翻译 JST客观日本编辑部

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