日本的新兴科学

日本的新兴科学

现在让我们再回到物理学上来。这里我们要第一次谈到一位日本物理学家汤川秀树（1907年生），他在新的理论思想方面是非常突出的。

在介绍汤川之前，我想稍微谈谈西方物理学在日本的发展历史。在1868年明治维新时代，日本就已经有了相当先进的技术，但却没有西方所说的那种科学。在佩里（Perry）海军准将于1853年访问日本并迫使它开放通商口岸后，日本领导人就下了决心要使他们的国家现代化。这时他们开始认识到“科学”的重要性，请了一位法国的和一位英国的物理学教授，让他们在东京讲授物理学。由于语言上的困难，使得这两个学派彼此互不联系，因此在一段时间里，在日本存在着一个英国物理学和一个法国物理学。还派了一些武士到欧洲去学物理，当然，这些武士对科学很少有兴趣，但他们充满了爱国主义热情，他们用军队精神来学习科学。从其中一个武士的自传（仅能在日本看到）中可以看出，他有着强烈的反西方情绪，非常看不起那些粗野无礼的西方人，但这些感情却又与钦佩西方所取得的成就相混合。今天回忆一下，可以看出这肯定是一种很危险的混合。这个武士开始时很怀疑西方科学的能力，但是当他旅行时所乘船的船长通知说，那天下午他们会在海洋中遇见另一艘船，而且后来确实遇到了那艘船时，他才信服了。

在这些早期的日本先驱者之后，一些受过较好训练的人又来到了欧洲。他们本身对科学就有所了解，也有一定的兴趣，他们来到欧洲不再仅仅是履行一次爱国主义义务了。在他们之中，长冈半太郎（1865～1950）是最重要的一位。他在本世纪初访问了欧洲，并且看来对当时重要的物理学问题都有所了解。长冈后来成了日本科学的领导人物之一，而且他作为行政官员，也曾发挥很大的影响。他在东京大学教了多年的物理，但是，1931年新帝国大学在大阪成立时，他却成了校长，不过他对此并没有多大兴趣。

长冈的感情中占主导地位的是科学和爱国主义。1888年在英国写给他的教授田中馆的一封信，有力地证明了他的这种感情，田中馆教授当时正暂时呆在苏格兰的格拉斯哥。当然，随着时光的流逝，这些感情也许已经发生了变化。他在这封信中写到：

我们必须努力工作、处处留意、思想敏锐、理解迅速、孜孜不倦，一分钟也不能停止工作。我们决不能让某些人到我们屋里来打扰我们，这些人看起来在专心致志地进行工作，但是一旦有任何好看的东西、好吃的东西或是有财可发时，他们就会马上停下手中的工作。决没有任何理由说白种人在每件事中都是至高无上的，正如你所说的，我希望我们能在10年或20年的时间内打败这些自负的人。我想，我们没有必要等到我们死了以后才从地狱中用望远镜来观看我们的后代取胜于这些白种人。打败这些白种人的另一个重要条件，是设法让别人知道我们所做的工作。这是个很大的困难，作为第一步，我们不能用日文进行写作，而要让白种人懂得我们写的东西。我们必须借用他们的语言，而使人懂。事实上，正如你所承认的那样，白种人能谈论任何事情，而我们呢，有时即使有很多材料可以作为谈话的内容，我们却讲不起来。我想，这是我们的一个很大的缺点，如果可能的话，我们必须学会清楚而流利地用外文写文章和讲话。我认为，英语、法语和德语在语言上没有什么不同，请你考虑这个问题。

现在让我们离开这些梦想，回过头来谈谈我们这里正在发生的事情。

长冈在西方杂志上发表了许多论文——有关磁学，光谱学及其它学科的论文。最引人注意的是他在1903年提出了类似太阳系的原子模型。日本物理学家历来比较欢喜磁学，并在理论和实验方面对这个学科作出了重要贡献。

但是从科学意义上来说，对日本作出最重要影响的，还是仁科（1890～1951）。他先是在东京作为一个电气工程师从事研究工作，后来他到了欧洲，并转向了理论物理学。他在哥本哈根的玻尔研究所工作。在这里，他和斯威德·O·克莱因一起，计算出康普顿散射截面，这在当时是理论技巧上的一项杰出成就。他还在德国和海森堡一起工作过。最后，他回到了日本，进物理和化学研究所工作，这个研究所部份是由私人资助的，部份是由政府资助的。这个研究所对日本的科学曾发生过很大影响，大部份最杰出的青年日本物理学家，都和仁科学派有直接或间接的关系。

汤川秀树（图12.1）作为一个教师，由于他自己的发现而成为最重要的一位人物。他1907年生于东京，是地理学教授小川铎二的儿子，但在1932年入赘于他妻子的家庭，取名秀树。他是在日本接受全部教育的，而且大部份是在京都读书。在一定程度上，他是自学成才的。他和他的朋友和同学朝永振一郎（1906～1979）一起学习量子力学，他们部份是从原始论文上学，部份则是从书本上学习。在仁科从欧洲回来时，朝永到物理和化学研究所去工作了，他由于对电动力学研究卓有成就，不久就成名了。而这时汤川在大阪大学得了一个位置，这所大学里有个在欧洲受过教育的物理学家菊池精司，他是从物理和化学研究所转到这里来工作的。

汤川于1935年在大阪写了一篇划时代的论文，尽管这篇论文还不够全面，并且也许并不完全正确，但它有些重要的新思想，后来的事实证明这些思想是极富创造性的，并对未来的发展发生了深刻的影响。

汤川在大阪大学形成了一个非常活跃的理论物理学家组成的学派，他还创办了《理论物理学进展》杂志，这本杂志在世界上，特别是在理论物理学界，具有重要的地位。这本杂志中出现的一些思想，往往是与西方文献毫无关系，没有接触过这本日文杂志的一些作者，往往也会在稍迟一些时候或是在同一时间里发现这些思想。在第二次世界大战期间或是战后不久的时间里，情况尤其是这样。

数学语言和英语成语在日本和西方物理学家之间形成了思想交流的桥梁，但有时人们也会发现他们之间的文化基础不同。当然，这对科学的进展也许有一定的好处，因为它会提供一些非常不同的争议点。

汤川在1949年成为第一个获得物理学诺贝尔奖金的日本人，这使他在他的祖国享有很高的威望，日本人把他看成是他们与西方享有科学均势的有力证明，这样，长冈终于在他1951年逝世前，看到他的理想实现了。

这里对汤川的论点作一下简单的介绍。大家都知道，光子是和电磁场及电磁力联系在一起的，汤川探讨的则是与核力场有关的量子的特性。他根据简单的推理，得出惊人的结论说，核力量子一定具有有限的静止质量，而他在进行推理时，所用的理论只不过略超出一点测不准原理和相对论。他估计，这个静止质量大约是电子质量的200倍，或者说，在静止时，这种量子的能量mc2大约达到100兆电子伏特。另外，这种粒子可以三种形式出现：电中性、带正电荷或带负电荷，其电荷量大小等于质子的电荷。

汤川的推理如下：核力有一个10-12到10-13厘米的作用球，这就是说，在这个10-12到10-13厘米距离r0处，核力突然下降。相反，普通的电力势U（r）=e/r中，没有这个特征长度。现在可以把两个核子之间的作用力看成是一个核子发射出一个量子，另一个核子吸收此同一量子。量子从发射核子到达吸收核子时所需要的时间大约为r/c，因为按照相对论原理，其速度不能超过光速。在量子运动时，由于一个核子具有了附加的量子的质量和相应的能量mc2，因而破坏了能量守恒。但是，测量能量的精度不能大于

这里，t是用于测量能量的时间，这是由量子力学的测不准原理所决定的。这样，我们就能“借”一个数量为ΔE的能量，而无法确定说是否违反了能量守恒。如果我们现在假定ΔE等于mc2、t等于r0/c，我们就得到

假定量子具有有限质量这一前提本身，就限制了作用半径的大小。引入2×10-13厘米作为r0的值，并取适当的普适常数值，我们就可求出m大约为电子质量的200倍，或者能量mc2为102兆电子伏特。

经验证明，中子和质子、质子和质子以及中子和中子之间的作用力是相等的，这就要求此量子的电荷为±e或为零。据此，汤川预言存在着这样一类粒子，其质量大约为电子的200倍，或是中性的，或是带有一个单位的正、负电荷，它能与核子发生强烈的作用。

费米在研究β衰变理论时，也曾有过类似的想法，他曾认为，中微子可能是某种场的量子，但是由于他未能取得任何有意义的结论，所以他没有发表有关这方面的论文。汤川研究了费米关于β衰变的论文，并且加以引用。他的论文发表在1935年的《日本数学和物理学会杂志》上，人们注意到这篇论文，但并未引起很大的轰动，因为那时还没有人看到和汤川的假设相类似的粒子，认为这只不过是一种有趣的推测罢了。

*原文有误，已更正——译注。