土生土长的物理学家为日本荣获第一个诺贝尔奖

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“我认为觉悟到生活的意义而活在世上才是真正的现实主义的生活方式。”

——汤川秀树

撰文 | 陈关荣

诺贝尔奖自1901年开始颁发以来,日本获奖共计29人,其中物理学奖12,化学奖8,生理学或医学奖5,文学奖3,和平奖1,内有4人在获奖时属其他国籍,其余则全是本土日本人。

日本自从1949年获第一个诺奖之后,多年来的后继得奖者可谓零星落索。为了改变这种状态,2001年3月日本政府出台了“第二期科学技术基本计划”,雄心勃勃地表示要在50年内赢得30个新的诺贝尔奖。随后,奇迹出现了:日本平均每年都有一个人得奖,至今共计19人,在21世纪各国获奖总人数中排行第二,仅次于美国。令人瞩目的是,这19个诺奖得主全部都在日本国内接受并完成从幼儿到大学本科的系列教育,无一例外。

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日本第一个获诺贝尔奖的是汤川秀树(Hideki Yukawa,1907年1月23日-1981年9月8日)。1949年,时年43岁的他荣获物理学奖。在亚洲,他是第三位诺奖获得者,之前有印度诗人作家泰戈尔(Rabindranath Tagore,1861-1941)于1913年获文学奖,以及印度物理学家拉曼(Chandrasekhara V. Raman,1888-1970)于1930年获物理学奖。

汤川秀树的主要贡献是在近代物理学研究中预测了称为“介子”的新粒子的存在。

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图1 物理学家汤川秀树:日本第一位诺贝尔奖获得者

在汤川秀树成功的道路上,有三位著名的日本物理学家对他的学术研究极有影响,他们是长冈半太郎、石原纯和仁科芳雄。

长冈半太郎(Nagaoka Hantaro,1865-1950)是经历了明治、大正和昭和三个历史时期的著名原子核物理学家,被誉为日本物理学之父。他于1893年在东京帝国大学获理学博士学位,随后到了德国和奥地利,在柏林、慕尼黑和维也纳等地访学,师从路德维希·玻尔兹曼(Ludwig E. Boltzmann,1844-1906)。1896年,他回到日本东京帝国大学任职教授。1903年,他提出了有核的原子模型,认为原子应该是由一个大而重的带正电荷的核和一些在某个环面上绕核旋转的电子组成。当年,长冈半太郎的原子模型并没有引起关注。后来,1911年欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)和1915年尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885-1962)相继提出了更加合理的“卢瑟福—玻尔”原子模型并由物理实验加以证实,原子结构才获得了公认。

石原纯(Jun Ishihara,1881-1947)1911年留学德国,在爱因斯坦和阿诺德·索末菲(Arnold J. W. Sommerfeld,1868-1951)联合指导下研究相对论,期间和1914年诺贝尔物理学奖得主马克斯·冯·劳厄(Max von Laue,1879-1960)也有来往。石原纯于1915年回到日本,把爱因斯坦和相对论介绍到日本和亚洲。他在东京帝国大学任教并获理学博士学位,之后长期从事相对论研究,对量子理论的初期发展作出过重要贡献。石原纯写过多本关于理论物理和相对论的书籍,让汤川秀树受益匪浅。石原纯的好几本书曾被翻译成中文在中国出版。此外,在日本,石原纯还是一个颇有名气的诗人。

仁科芳雄(Nishina Yoshio,1890-1951)是继长冈半太郎和石原纯之后在国际上较有影响的日本理论物理学家。他于1918年毕业于东京帝国大学工学部电气工学科,后加入物理和化学研究所,师从长冈半太郎。仁科芳雄于1921年赴欧洲留学达八年之久,先后在英国剑桥大学、德国哥廷根大学和汉堡大学以及丹麦哥本哈根大学访学。在哥本哈根,他在玻尔的指导下学习和研究理论物理。期间,维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg,1901-1976)和保罗·狄拉克(Paul A. M. Dirac,1902-1984)也在玻尔的指导下从事量子力学研究。仁科芳雄的主要成就是1928年与瑞典的奥斯卡·克莱因(Oskar B. Klein,1894-1977)共同导出关于X射线康普顿散射(Compton effect)的“克莱因-仁科公式”。仁科芳雄在1929年回到东京帝国大学,于1931年建立了“仁科实验室”,进行核物理和宇宙射线的研究。他对量子力学在日本的传播和发展作出了重要贡献。后来,仁科芳雄是第一个接受并支持汤川秀树新粒子学说的物理学家。

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图2 日本早期著名物理学家:长冈半太郎、石原纯和仁科芳雄

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汤川秀树1907年1月23日出生于京都。他的一生,除了一小段时间在大阪之外,几乎都在京都度过。汤川秀树原名小川秀树,25岁结婚后随妻子家改姓汤川。

汤川秀树父亲小川琢治是地质学和地理学专家,曾任京都帝国大学理学部部长。父亲兴趣广泛,喜欢剑术、棋艺和各类艺术,但却不让孩子们在这些方面“浪费时间”。汤川秀树兄弟姐妹七人在优裕而严格的家庭环境中长大,几乎没有娱乐,只有读书。汤川秀树因之养成了沉默寡言的性格,甚至得了个“我不愿说”的绰号。汤川秀树的母亲小川小雪是当时少数学过英语的女子。汤川秀树说他的母亲“有一个逻辑性思维非常强的头脑,对孩子们一视同仁,是接受过新式教育的人。”

少时的汤川秀树对文学十分感兴趣,阅读过许多法国和德国的古典小说以及屠格涅夫和托尔斯泰的日文翻译作品。他五岁就开始跟随祖父学习中国《四书》中的《大学》,然后是《论语》和《孟子》,再后又读《十八史略》、《史记》、《春秋·左传》。他甚至读过《三国演义》和《红楼梦》,还特别喜欢《庄子》。汤川秀树后来在自传《旅人:一个物理学家的回忆》里说:“家里无处不在的书籍抓住了我的心,它们给了我想像的翅膀。”不过,在书中他写道:“读到《中庸》,太哲学化了。《老子》和《庄子》这些书加深了我少年时期的厌世观。”这或许跟他那时的“我不愿说”性格有关。

汤川秀树在自传《旅人》中回忆说,在少年时代他没有任何可能成为一个物理学家的迹象。但是,成为一个物理学家之后,他感觉到“文学的美和理论物理学向我们揭示的美,两者之间并非相去甚远”。他说:“我甚至到今天仍有这样一个愿望,就是如果有余暇的话我会去写作一篇童话。”

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图3 汤川秀树自传《旅人》(1958)

1922年爱因斯坦访问日本,由石原纯全程陪同并作翻译。爱因斯坦的公众演讲让中学生汤川秀树开始对科学特别是物理学产生了极大兴趣。

1926年,19岁的汤川秀树考入了京都帝国大学物理系。刚进大学时,他听了长冈半太郎题为“物理学的过去与未来”的讲演,大受鼓舞。长冈半太郎说过的一句话“我如果不能进入先进的研究者行列,并对某一学术领域做出贡献,那么生而为人就没有什么意义”更激励了他要发奋图强。

1929年,汤川秀树从京都帝国大学毕业,留校当无薪助教并自做研究。在那里,他于1932年获得物理硕士学位。随后,汤川秀树到大阪帝国大学任职讲师至1939年。期间,1938年他在该校取得了物理博士学位。之后,他折回京都帝国大学任职教授至退休。汤川秀树是一个没有到过欧美留学而在日本土生土长的物理学家。

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图4 日本土生土长的物理学家汤川秀树

汤川秀树接受高等教育时期,物理学正处在从传统向现代的转变。馬克斯·普朗克(Max K. E. L. Planck,1858-1947)的量子理论揭开了这场变革的序幕,而放射性的发现和“卢瑟福—玻尔”原子模型的建立打开了微观世界的大门。现代物理学发端的这一切,都深深地吸引了大学生汤川秀树。

1929年,汤川从京都大学毕业。当年他只有22岁,但却自认为年纪不小了,颇为焦虑。他后来回忆说:“当时,大多数对量子力学作过重要贡献的物理学家都是二十来岁,有一些仅比我年长五、六岁。四位杰出的科学家,海森堡、狄拉克、泡利和费米,都是在1900年至1902年出生的,而他们都在23或24岁时就已经取得了很大的成就。1929年秋海森堡和狄拉克访问日本,我听了他们的演讲,对我是一次极大的刺激。”其中提到的四位杰出科学家,海森堡在1932年因创立量子力学以及发现氢同素异形体获诺贝尔物理学奖;狄拉克在1933年因建立量子力学基本方程获诺贝尔物理学奖;沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Ernst Pauli,1900-1958)在1945年因提出微观粒子运动的不相容原理获诺贝尔物理学奖;恩里科·费米(Enrico Fermi,1901-1954)在1938年因创建原子核的中微子理论获诺贝尔物理学奖。

1932年,詹姆斯·查德威克(James Chadwick,1891-1974)发现了中子因而在1935年获诺贝尔物理学奖。学界原来认为质子和电子是原子的最基本构成的看法被打破了。这个消息对于已在大阪大学任教的汤川秀树来说是一个重要启发,也是一次巨大鼓舞,因为他受到长冈半太郎、石原纯和仁科芳雄三人的影响,一直致力于原子结构的研究。那时他很有信心地说:“我确信,原子世界的秘密一定能被揭开。”

当年,国际物理学界普遍存在着一种倾向,反对引进更多的新粒子学说,甚至认为那是外行人的胡闹而不是严肃科学家应该做的研究。1929年狄拉克提出“空穴”理论时,尽管理论计算和分析表明那是个带正电荷并具有电子质量的新粒子,但他不敢明说。泡利很早就有了“中微子”是一种新粒子的想法,也没有成文发表,只在给朋友的信件中谈及,直到1933年才公开提出“中微子假设”。费米很欣赏泡利的假设,并把它应用到自己的放射性研究中。同年,费米把关于中微子理论的文章投给了《自然》杂志,却接到编辑的直接拒稿,说“此推测偏离物理现实太远”。费米只好在意大利的一个小刊物上发表了他的研究成果。事实上,费米的中微子理论经受住了考验,让他在1938年获得诺贝尔物理学奖。

1933年 ,汤川秀树把海森堡的“论原子核结构”一文翻译成日文,并以此为纲写了一篇综述性的介绍文章,发表在《日本数学物理学会记事》。那是他的第一篇学术杂志论文。

汤川秀树的核物理研究工作,开始时试图用电子交换方式来说明核力性质,但没有任何结果。1934年,汤川秀树得知费米的中微子理论后马上试图用它来解释核力性质,但也无功而还。汤川秀树很有感慨,说:“那些探索未知世界的人们是没有地图的跋涉者。地图是探索的结果。事后找出捷径并非难事,而困难在于一边开辟新路一边寻找目的地;特别是,如果出发时就走错了方向的话。”

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图5 汤川秀树书籍《向创造飞跃》

1934年4月,沉迷于研究工作的汤川秀树干脆辞去了京都大学的教师职位,全心全意地投入到自己看到了希望的探索之中。最后,到了10月份,在各种理论分析和物理实验的基础上,他终于建立了自己关于中子和质子之间进行电交换的“U粒子”作为核力的理论,其中U表示未知(Unknown)。他认为该核力维持着原子核的存在状态,因为没有它的话原子核中两个以上的质子将会因为电磁排斥力而分离。汤川秀树随即在日本物理与数学学会上介绍了这一理论,并预言将会在宇宙射线中找到这种粒子,还猜测这种粒子的质量介乎于电子和质子之间。他在报告之后立即受到了仁科芳雄的肯定和赞赏。汤川秀树把这种粒子称为mesotron。不过后来海森堡纠正了他,说希腊字“中间”是mesos,没有tr,最后大家同意定名为meson(介子)。

1934年,汤川秀树向《自然》杂志投递了一份关于介子理论的简报,但被拒稿。翌年,他在《日本数学物理学会会刊》上正式发表了题为“论基本粒子的相互作用”的论文(On the interaction of elementary particles, Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan, vol. 17, pp. 48-57),报告了这种新的核力理论并预测了介子的存在。汤川秀树说当年他其实并不着急发表文章,只是妻子汤川名子(Sumiko)不断催促他:“请快点写出英文论文来,公布于世吧!”

文章发表后,汤川秀树做过几场有关新粒子理论的学术报告。可是,全日本几乎只有仁科芳雄感兴趣并且相信他的理论。汤川秀树把他的论文寄给了几位欧美物理学家,包括美国“原子弹之父”罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer,1904-1967),均如石沉大海,没有听到任何回音。

1936年,卡尔·安德森(Carl D. Anderson,1905-1991)因在宇宙射线中发现一种带单位正电荷或负电荷的粒子而获得诺贝尔物理学奖。该粒子的质量为电子的206.77倍。当时,许多人以为它就是汤川秀树预言的介子,于是称之为“µ介子”。奥本海默听到消息后,想起了汤川秀树两年前寄给他的文章。他重新阅读了论文,并随即给《物理周刊》主编写了封信,指出:“新粒子早就存在了,那就是汤川的‘U粒子’,它传递核力。实际上,它早已由汤川秀树提出。交换这种中间质量的粒子的可能性大于费米关于‘电子-中微子’的理论。它对于质子和中子之间交换力的范围和数量提供了合理的解释。”从此,汤川秀树在国际学术界中声名鹊起。汤川秀树后来很有感慨地说:“新的真理发现时通常是少数派;但如果是正确的话就会变成多数派。”

不过,后来物理实验证实了安德森在宇宙射线中发现的粒子并不参与强相互作用,它只是一种轻子。学界最后把“µ介子”改名为“µ子”。这让汤川秀树十分失落。

时间好不容易走过了十个年头。1947年,塞西尔·鲍威尔(Cecil F. Powell,1903-1969)从宇宙射线中发现了另一种带单位正电荷或负电荷的粒子,质量为电子的273倍,并且与核子有很强的相互作用。学界终于证实了,这才是汤川秀树预言的介子,并称之为“π介子”,其中π+介子和π-介子互为反粒子。1950年,人们还发现了π0介子。

至此,玉汝于成,功不唐捐,汤川秀树因之获得了1949年诺贝尔物理学奖,而鲍威尔也获得了1950年诺贝尔物理学奖。

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图6 汤川秀树荣获1949诺贝尔物理学奖

值得提及的是,汤川秀树和鲍威尔都参加了由伯特兰·罗素(Bertrand A. W. Russell, 1872)和爱因斯坦1955年7月9日在伦敦发起的11人签署的著名历史性文件“罗素—爱因斯坦宣言”,对核武器带来的危害深表忧虑并呼吁世界各国通过和平方式解决国际争端。宣言写道:“鉴于在未来的世界大战中人们肯定会使用核武器这一事实,而此类武器威胁到人类的继续生存,我们敦促各国政府开诚布公地让全世界意识到,他们的目的无法通过一场世界大战而达到。并且,我们敦促他们找到解决彼此之间各种纠纷的和平手段。”此后,1957年汤川秀树还出席了在加拿大Pugwash召开的以世界和平为宗旨的“第一届科学和世界事务会议”,呼吁实现无核世界。

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图7 汤川秀树和费曼、爱因斯坦、狄拉克合照

1946年,汤川秀树创办了《理论物理学进展》国际杂志并担任主编直至辞世。1948年,汤川秀树应邀到普林斯顿高等研究院任客座教授,1949年到纽约哥伦比亚大学任客座教授,至1955年回国。

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图8 汤川秀树题字

汤川秀树获奖成名后,经常被邀请题字。深受中国庄子思想影响的他,喜欢写庄子《秋水》的“知鱼乐”。中国读者都很熟识《庄子·秋水》中的故事:庄子与惠子游于濠梁之上。庄子曰:“鲦鱼出游从容,是鱼之乐也?”惠子曰:“子非鱼,安知鱼之乐?”庄子曰:“子非我,安知我不知鱼之乐?”

事实上,汤川秀树曾在一些文章中提到他的物理学研究无形中受到老庄思想的影响。他写道:“我与其他物理学家不同。对我来说,长年累月吸引我、给我最深影响的是老子和庄子等人的思想。它虽是一种东方思想,但在我思考有关物理学问题时,它仍不知不觉地进入其中。”

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图9 汤川秀树书法(取自《庄子·知北游》):“天地有大美而不言,四时有明法而不议,万物有成理而不说。圣人者,原天地之美而达万物之理。”

当然,汤川秀树心里明白,他在现代物理学和核力理论的成功更多是得益于抽象思维和逻辑推理。他在《创造力和直觉》一书中说:“人类的抽象思维能力对于创立像物理学这样一种严密科学来说是有决定性意义的。”1964年,他在希腊雅典的一次公众演讲中说:“作为一个已成为物理学家的人,我完全意识到希腊人给予我的恩惠。正是他们开创了把深藏在自然界中的真理揭示出来的伟大事业。”显然,汤川秀树认同埃尔温·薛定諤(Erwin R. J. A. Schrödinger,1887-1961)的观点:现代科学是“按照希腊人的方式去思考世界”。

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汤川秀树一生获得过多项荣誉和奖励。

早期,他于1940年获得日本科学院的帝国奖章(Imperial Prize of the Japan Academy),1943 年获得日本国家褒章(Japan Medal of Honour)以及文化勋章(Cultural Medal)。

稍后,他成为日本物理学会和美国物理学会会士。

1949年,汤川秀树荣获诺贝尔物理学奖,表彰他“在核力理论工作的基础上预测了介子的存在”。此后,他成为日本科学院院士并出任过日本科学协会会长。他还被美国国家科学院、爱丁堡皇家学会、印度科学院遴选为外籍院士,并获得巴黎大学荣誉博士学位以及苏联科学院的罗蒙诺索夫金质奖章。

为了表彰汤川秀树,日本政府于1953年在京都大学设立“基础物理学研究所”并让他担任所长。大阪大学聘请他当名誉教授,京都市授予他荣誉市民光荣称号。汤川秀树去世后,京都大学为他修建了一所“汤川纪念馆”。

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图10 汤川纪念馆(京都大学)

汤川秀树作为日本第一位诺贝尔奖得主激励了一代又一代年轻学者的成长。京都大学理论物理研究所先后出了4位本土诺贝尔物理学奖得主:汤川秀树、朝永振一郎(Sinitiro Tomonaga,1906-1979;1965年得奖)、益川敏英(Masukawa Toshihide,1940-2021;2008年得奖)、小林诚(Kobayashi Makoto,1944-;2008年得奖)。其中,汤川秀树的悉心指导和精神鼓舞功不可没。2008年,87岁的南部阳一郎(Yoichiro Nambu,1921-2015)在获得诺贝尔物理学奖时激动万分,一再感谢汤川秀树对他的启导和影响。

有趣的是,京都大学这个理论物理研究所“有大师而无大楼”,至今依然座落于校园角落一栋不起眼的旧楼里。

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图11 汤川秀树纪念石像(京都大学理论物理研究所门外)

迄今为止,京都大学已经诞生了9名诺贝尔奖得主、2名菲尔兹奖得主、1名沃尔夫奖得主、5名拉斯克奖得主、1名高斯奖得主、4名京都奖得主、2名日本国际奖得主、4名芥川龙之介文学奖得主、1名达尔文—华莱士奖章得主,以及两位日本首相,此外在世界500强企业的CEO校友人数全球排名为第12位。尽管如此,在今天世人喜欢谈论的各种大学排行榜里,京都大学在日本总是名列第二,落在东京大学之后。

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图12 汤川秀树纪念邮票

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本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”。

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