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【日本人与诺贝尔奖】朝永振一郎,第二位诺奖得主是第一位得主的朋友

2019年04月26日 科学家访谈
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日本的第二位诺贝尔奖得主是1965年获奖的朝永振一郎,当时距离第一位诺奖得主汤川秀树获奖已过去16年。获奖领域也是物理学奖,而且二人都是因为理论物理学的成就而得到认可获奖的。

理论物理学的研究经常被认为“只要有纸和铅笔”就可以做的研究,的确如此,这个领域主要靠头脑取胜。二战后,从零出发的日本科学研究单位连像样的实验设备都没有,确实只有纸和铅笔。朝永获得诺贝尔奖的1965年是东京举办奥运会的第二年,日本人终于开始找回自信了。也正是从那时起,日本的经济开始进入了奇迹般的高速增长时期。

日本人与诺贝尔奖 朝永振一郎,第二位诺奖得主是第一位得主的朋友

在相邻的桌子上做研究的二人

朝永振一郎能获得诺贝尔奖离不开汤川秀树的成就。在汤川和朝永活跃的年代,日本的理论物理学界光凭“纸和铅笔”,就组建了全球顶尖的研发团队。

汤川和朝永的父亲都是京都大学的教授,二人均在家教严格的家庭环境中长大。人生轨迹也完全相同,一路从京都一中升入京都三高和京都大学,于同一年毕业后,又都进入了京都大学玉城教授的研究室,埋头于量子力学的研究之中。

汤川原本是比朝永晚一年的后辈,但汤川中学时跳了一级升入高中,所以二人在高中和大学都是同一年级。

两位英才在玉城研究室学习时,是在同一个房间相邻的两张桌子上做研究的。朝永回忆当时的情景说:“汤川每次一想到什么就会嘟哝着自言自语,非常烦人,所以我常躲到图书馆里去”。

日本人与诺贝尔奖 朝永振一郎,第二位诺奖得主是第一位得主的朋友

受爱因斯坦影响,开始研究量子力学

二人之所以进入量子力学领域是因为受到了中学时代访日的爱因斯坦的影响,另外还因为大学时代在京都聆听了1927年访日的两位年轻天才海森堡(1932年诺贝尔物理学奖得主)和狄拉克(1933年诺贝尔物理学奖得主)的演讲。无论中学时代还是大学时代,两位英才都能非常敏锐地感受到了物理学的魅力。

海森堡出生于德国拜恩州的学术之都维尔茨堡。从慕尼黑大学毕业后,到哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔(1922年诺贝尔物理学奖得主)手下留学,1925年创立了矩阵力学,与薛定谔(1933年诺贝尔物理学奖得主)的波动方程共同奠定了量子力学的基础。

两人访问日本时,海森堡26岁,狄拉克25岁。不过,两人虽然年纪轻轻,但已经取得了后来被授予诺贝尔奖的成就。很多诺贝尔奖得主都是在20多岁时就取得了基础性研究成果。这两个人在20多岁时已经到欧洲的研究所发表过特邀演讲,访问日本时也是刚刚从美洲大陆结束演讲旅行回来。

听了两位年轻天才的演讲后,日本的两位英才汤川和朝永受到很大的启发,变得对量子力学愈发感兴趣。不久后,二人从京都大学毕业,汤川去了大阪大学,朝永进了理化学研究所(简称“理研”)。

朝永进了理研的仁科研究室,并在那里获得了博士学位。

从战前到战后,研究从未中断

1937年,朝永作为日德交换留学生赴德国莱比锡大学留学,师从当年在京都聆听其演讲并深受影响的海森堡,致力于原子核理论研究。

1941年12月,太平洋战争爆发,来自美国和英国的文献被彻底切断。不过,身在大阪的汤川和身在东京的朝永依然步调一致,继续开展研究。

当时的研究课题是,进一步完善汤川预言的介子理论,将其确立为正式的理论。朝永和理研的研究团队也加入其中,经常进行学术讨论。

在此期间,坂田昌一和谷川安孝又提出了两种介子理论。

新的理论认为,在上一篇介绍汤川的文章里提到的、美国物理学家安德森等人在云室中留下的宇宙射线径迹中发现的粒子与汤川预言的介子不同。二人认为,从太空中飞来的粒子首先在大气上层形成了汤川预言的介子,之后这种介子在大气中发生衰变,变成了安德森发现的介子。后来,英国物理学家鲍威尔通过宇宙射线在照相底片上留下的径迹证明了这种说法的正确性。

坂田在战后进一步展开研究,并发表了新的理论,认为名为C介子的未知介子在电子与光子(电磁场)的相互作用中发挥了隐秘的作用。这为朝永后来提出的认为电子质量的一部分包含电磁波反作用效果的“重整化理论”提供了线索。

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在汤川获奖16年后成为日本的第二位诺奖得主

之后,朝永针对“量子场论”与相对论的关系未必都很明确的缺点,利用认为空间内各点都有自己固有时间的“超多时理论”成功地解释了这个缺点。针对电子和电磁场系统的场论存在一个矛盾,即计算物理量时一切都变得无限大。

不过,朝永发现,应用超多时理论时,将无限大的各项视为对电子质量和电荷的补正即可,把无限大放进电子的质量和电荷中的话,所有物理量都变得有限,得出了理论与实验结果基本一致的结论。

日本人与诺贝尔奖 朝永振一郎,第二位诺奖得主是第一位得主的朋友

完成重整化理论,扬名世界

朝永1947年发表的“重整化理论”给全球的理论物理学界都造成了冲击,他的名字变得家喻户晓。

1965年,朝永凭借“量子电磁力学领域的基础研究”成为日本第二位诺贝尔物理学奖得主。这是汤川获奖16年来的又一个壮举,共同获奖者为美国的理论物理学家施温格和費曼。

日本人与诺贝尔奖 朝永振一郎,第二位诺奖得主是第一位得主的朋友

朝永和汤川生活在同一个时代,是理论物理学领域的“两位巨人”。朝永擅长计算,熟悉理论的所有细节。他经常阅读文献,在物性论等专业以外的领域也取得了优秀的成绩。朝永讲课也认真周密,解释理论时会回顾历史进行详细解说,并不介意花很长时间。

朝永1949年开始担任东京文理科大学(东京教育大学的前身,现为筑波大学)的教授,在普林斯顿高等研究所期间展开了量子多体系统的研究。后来升任校长,还担任过日本学术会议的会长。

朝永性格爽朗,平易近人,喜欢落语(类似于单口相声),成为教授后还参加过东京大学的学园祭(五月祭),用擅长的德语表演了落语等,据说非常搞笑。

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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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