第十四期：发现介子

上期说到1935年汤川秀树根据交换力的概念，他设想核力就是强相互作用当中应该也有一个作为交换的粒子——介子，大致一估算这个新粒子的质量要比电子大比质子小，质量大约是电子的200倍左右。到了1937年，发现正电子的安德森发现了一种粒子，之前没见过，质量也刚好是电子的200多倍，安德森当时已经是助理教授了，有一天和他的一个助手尼德迈耶，他在实验室里观察磁云室里边的粒子轨迹的照片，发现有一个轨迹长得不太一样，所以在1937年他们就写了一篇论文，结论就是要么就是现在的理论不对，要么就是存在新粒子！

为啥说有可能理论不对呢？因为这个粒子的能量特别大，速度快。这就像是，我们处理运动问题，低速的时候牛顿方程管用，高速就得用爱因斯坦的相对论了。所以在粒子能量高的时候（大于100MeV）有可能量子电动力学就不管用了，有人真就是这么怀疑的，物理学家奥本海默就是其中一位，他就说安德森观察到的新粒子就是理论的局限性导致的，没有啥新粒子。

在1937年汤川秀树看到了安德森他们的论文，他肯定不会觉得是理论有问题，这就是我预言的介子！很快就在日本国内发表了一篇论文，表示安德森已经发现了预言的新粒子了，他还把宇宙射线中的介子称为“宇宙介子”。

光说不行，还要验证这个“宇宙介子”到底是不是他预言的介子，所以在1939年汤川就进一步研究，发现不对。有两个问题，第一个他预言的介子根据理论值计算出来的寿命应该是10^-8秒，但是这个所谓的宇宙介子的寿命大约是10^-6秒，差两个数量级。第二个问题，这个宇宙介子与物质间的作用十分微弱，那就不可能提供核力作用啊，核力太强了。总之，种种迹象表明，它更像是一个电子，大电子，最主要的是它还真能衰变成电子，当这个宇宙介子射入物体之后它就会变成一个电子然后放出两个中微子。当时人们就把这种情况称作是“介子佯谬”。就是说介子的理论和实验是不相符的。

为了解释介子佯谬当时的物理学家也是各执一词，有说理论不对的，有说实验不对的。但是有一个人为了保住理论和实验两个结果又提出了一个理论，叫做双介子理论，这个人叫做坂田昌一。坂田曾经是仁科芳雄的学生，后来又跟随了汤川秀树，他是汤川的博士生。

1942年坂田说，宇宙介子是另外一种介子，它和汤川预言的介子是两种粒子，那它们之间什么关系呢？汤川预言的介子会迅速发生衰变，变成宇宙介子然后放出一个中微子，宇宙介子又可以缓慢的衰变成一个电子然后放出两个中微子。结果到了1947年英国的物理学家鲍威尔真的发现了双介子的演变过程。鲍威尔的导师是发明云室的威尔逊，威尔逊又是卢瑟福的学生，所以也可以这么说，卢瑟福是鲍威尔的师爷，卡文迪许实验室的后起之秀。1947年的时候鲍威尔受到导师威尔逊的启发，心想能不能用别的办法来检测宇宙射线呢？于是他发明了一种使用感光乳剂的方法，同样可以拍摄宇宙射线的轨迹，主要是感光乳剂便携，不像云室必须要放在实验室。1947年鲍威尔把感光乳剂用热气球给放到天上去了，结果发现干扰少了很多，宇宙射线也更加清晰了。其中有一组轨迹记录的就是双介子的衰变过程。一种介子变成另外一种介子了。这两种介子质量都比电子大，但是第一个更大一些，后来人们发现这个介子才是汤川秀树当年预言的介子，它的寿命是2.6*10^-8秒，质量是电子的273倍，与理论值完美吻合，我们现在称作是π介子。而安德森所发现的“宇宙介子”，其实并不是介子，它的质量是电子的207倍，寿命是2*10^-6秒，现在叫做μ子（缪子）。至此汤川预言的介子理论和坂田所说的双介子理论都被鲍威尔证实了。

所以汤川秀树获得了1949年的诺奖，鲍威尔因为发现了π介子于1950年也获得了诺贝尔物理学奖。而安德森虽然发现了μ子，但可能是因为他之前已经因为发现正电子得过一次诺奖了，所以没能再次得奖。这就像是历史和我们开了个小玩笑，π介子和μ子在同一个阶段发现，他俩大小又很像，但是归根结底还是两种不同的粒子。值得一提的是，第一个证明μ子不参与强相互作用的人是我国物理学家张文裕先生，张先生曾经在剑桥大学卡文迪许实验室留学，也是卢瑟福的学生，这是我国宇宙射线研究和高能实验物理的开创人之一。最主要的成就就是研究μ子，1948年，他不仅证明了μ子不参与强相互作用，而且还发现这个μ子和电子的性质很像，于是他成功使用μ子替换了原子中的电子，新合成的这种原子就被称作μ原子。

至此，基本粒子的版图不断扩大。

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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