第十三期：预言介子

1932年对于物理学来说，是不平凡的一年，这一年人类发现了中子，发现了正电子，中微子也正式被预言。自从中子被发现之后，人们意识到原子核实际上是由带正电的质子和不带电的中子组成的，然后原子核的外围围绕着电子，这就是我们熟悉的原子模型。

但很快人们又意识到一个问题，是什么力量能够让质子和中子老老实实的在原子核里呆着呢？你可能会认为质子带正电，中子不带电，它俩挤在一起也没什么问题吧？一个质子和一个中子好像是没什么问题，可是如果是氦原子核呢？它有两个质子两个中子。质子和中子之间虽然没有电磁力，但质子和质子之间应该是相互排斥的啊。所以这个神秘的力量肯定不是电磁力。氦核才有两个质子，比较重的原子核，有100多个质子的呢，他们也能挤在原子核里，要是电磁力早都相互弹开了，而不是约束在一起。那会不会是引力呢？引力确实是相互吸引的，而且与电性无关。人们发现也不可能是引力，因为质子和中子受到的力有一个特点，就是这个力只在原子核范围内有效，也就是10^-15m范围内有效，出了原子核就会立刻消失，比如说轰击质子，只要没把质子轰击出原子核以外，它就出不去，只要把质子轰出原子核一点点，这个力立马就消失了，质子就高速逃脱了。这种力我们叫做短程力，就像是有一层隐形的胶水儿一样。而我们熟知的引力和电磁力都是长程力。看来这又是一种没见过的力量，所以当时的物理学家把这个力给起了个名叫做核力，也叫做强相互作用力。于是，很多人都投入到对于核力的研究。其中就包括今天故事的主人公，来自物理学家汤川秀树。

1932年，汤川把核力和电磁力进行了对比。当时的电磁力人们有了一种新的认识，海森堡最早提出了交换力的概念，我们来简单说一下。我们正常理解的引力和电磁力，其实只是对于自然规律的总结。比如说两个大质量天体可以相互吸引，为什么呢？因为万有引力，可是细想这并不是本质原因，就是为什么会具有万有引力呢？电磁力也是一样，同性相斥异性相吸背后的原因是啥呢？我们也不知道电磁力具体产生的原因，反正知道有这个力，还有公式能计算。这是根据自然规律总结出来的公理，公理是不证自明的。自然科学的公理就是自然规律，这也是我们判断科学与否的依据。而数学就不一样，数学可以有公理也可以有公设，就是假设的公理，认为规定。比如说以三角形内角和为180度为公理，那就会得到欧式几何。如果我们规定三角形内角和不为180度，那就会得到非欧几何。这两种都是逻辑完备的。

总之一旦我们开始思考自然科学的公理为什么会是这样，那问题就会变得复杂了。比如说为什么会存在电磁力？量子力学建立以后，人们貌似找到了一个原因，就是量子场论中量子电动力学的基本假设，在量子电动力学中认为，电磁力是通过交换光子的方式来实现力的相互作用的，举个例子，比如说这有两个质子，它俩都带正电，为什么会相互排斥呢？因为两个质子在相互发射光子，所以彼此会相互排斥，当然这种方式只是处理问题的一种手段，我们只需要知道，电磁力就是靠光子来传递相互作用的就可以了。那引力呢？靠引力子来传递相互作用，不过引力子到现在也没发现，还是未解之谜。弱力靠什么粒子传递呢？

汤川就是根据电磁力进行类比，推测如此强的核力也应该是通过一种粒子来传递相互作用的。可是是什么粒子呢？他最开始就假设应该是电子，强相互作用力就是通过交换电子发生的相互作用力。但很快发现不行，电子质量太轻了，如果核力是交换电子那不可能有那么强，汤川就又回去接着思考，那能是交换什么粒子呢？

到了1934年他看到了费米关于β衰变理论的论文《试论β射线理论》，这其中就写到了泡利预言的中微子。看完之后汤川醍醐灌顶，为啥非要在已知粒子中找呢？完全有可能是新粒子啊！于是就赶紧拿起笔大概测算了一下这个粒子的属性，如果想要达到核力这么大的力，那作为交换的这个粒子，它的质量就应该大约是电子静止质量的200倍左右，一看这个质量就知道只能是新粒子，因为当时已知的粒子中没有这个质量的。可是如果真的存在这个粒子为啥还没被人们发现呢？因为它的寿命特别短，只有10^-8s左右，汤川当时给自己预言的这个新粒子起了个名叫做“重量子”，后来是印度物理学家巴巴，他说“重量子”也不具有代表性，你看这个粒子的质量介于电子和质子之间，那就叫介子吧。介子可以带点可以不带电，因此汤川大致估计不算反粒子的话介子应该有三种。就这样，1935年，又一个新粒子被预言了，1949年汤川秀树因此获得了诺贝尔物理学奖，摘得日本第一块诺贝尔物理学奖牌。那介子又是谁发现的呢？

作者：妈咪说 科普创作者
审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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