--- title: "汤川为什么预言一种中等质量的粒子" description: "核力作用距离很短，为什么会指向一种新粒子的质量？" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/yukawa-meson-range/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/particle-evidence/yukawa-meson-range/" last_modified: "2026-10-24" --- [怎样认出一种新粒子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/#discoveries) 粒子 · 实验 · 发现 # 汤川为什么预言一种中等质量的粒子 核力作用距离很短，为什么会指向一种新粒子的质量？ Sandbox Physics · 2026-10-24 诺奖贡献：1949-1 1. 从紧密结合的原子核出发 2. 追问核力为什么很短程 3. 引入有质量的交换场 4. 与介子的发现比较 汤川根据作用距离提出理论预言；后来宇宙线乳胶实验才识别出 π 介子。 ## 原子核需要一种短程的力 两个质子带同号电荷，本来互相排斥，原子核却能把好几个质子紧紧聚在一起。核内一定有更强的吸引力。奇怪的是，这股力只在极近处明显，离开原子核就迅速减弱。1935 年，汤川秀树把这个“够不着远处”的特点当成了线索。 电磁学已经提供一种思路：电荷周围有场，场能传递能量和动量；量子理论把电磁场的激发与光子联系起来。汤川设想，核子之间也有另一种场。它的量子带有质量，这个质量恰好决定了力能伸多远。 来源：[1] ## 有质量的场怎样缩短作用距离 电荷产生的静电场会向外铺开，强度随距离缓慢减小。汤川设想的有质量场还多一层压低：近处可以很强，远处却衰减得更快。交换粒子越重，作用距离越短。原子核的大小由此指向一个中间质量范围，比电子重，比质子轻。 把核力特征距离取为约两飞米。一飞米是一米的一千万亿分之一；量子力学与相对论的常数，把这个长度联系到约一亿电子伏的能量尺度。汤川早期估计约为 200 个电子质量。这个数还不精确，却告诉实验者应该往哪一档质量寻找。 这里有一种常见说法，认为粒子先“借能量”，过一会儿再还。实际计算始终遵守能量与动量守恒。场内部交换的量子与自由飞行、能被探测器直接接住的粒子，满足的条件有所不同。有限作用距离来自场方程，抓住这个联系，就足以理解预言的关键。 这个联系在还不知道精确核力之前就有用。如果载体轻很多，场会伸得更远；如果重很多，作用又会缩进更小距离。原子核的尺度便成了筛选条件，限制理论可以选什么质量。 短程也不等于弱。把两颗核子放近，吸引可以很强；把间隔拉大，作用很快退下去。强度与作用距离是两个不同问题。汤川先抓住作用距离，再据此寻找相应质量的新量子。 来源：[1] ## 第一个候选者还不对 宇宙线很快送来了中等质量的粒子。今天叫缪子的那一种，起初看起来颇像答案。不过，质量合适还不够。负责传递核力的粒子应当与原子核强烈作用，缪子穿过物质时却更像一个较重的电子，与核物质的相互作用对不上。 1947 年，鲍威尔团队中的拉蒂斯、缪尔黑德和奥基亚利尼等人检查宇宙线照射过的照相乳胶，追踪到一种较重介子停下后，又放出较轻粒子的短径迹。前者是 π 介子，后者是缪子。乳胶把原来挤在同一质量档里的两类粒子分了开来。 来源：[2] ## 这个想法留下了什么 π 介子确实参与核子之间较长距离一段的作用。核子是质子与中子的统称，现代核力的有效理论仍会用到介子交换。更短距离要追问核子内部的夸克与胶子，那一层由量子色动力学描述。核子之间的剩余强作用，与夸克之间的强作用，是相关的不同描述层次。 汤川因介子预言获得 1949 年诺奖。他把“这股力伸得很短”变成“自然界可能还有一种质量落在这个范围的新粒子”，又把猜想交回实验。质量、作用距离与实际相互作用怎样接得起来，是这条发现路线最值得记住的关系。 来源：[1] [2] ## 来源与阅读说明 1. [Yukawa, On the Interaction of Elementary Particles I (1935)](https://doi.org/10.11429/ppmsj1919.17.0_48) 汤川把有限作用距离与有质量的交换量子联系起来，估计其质量介于电子和质子之间。 2. [Lattes, Muirhead, Occhialini and Powell, Processes Involving Charged Mesons (1947)](https://doi.org/10.1038/159694a0) 乳胶记录区分了介子与衰变后的缪子，是汤川设想后续的重要实验。 ## 顺着问题继续读 [乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/powell-pion-emulsion/) [粒子、探测器与物质的规则](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/) [一块铅板怎样认出了正电子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/anderson-positron-lead-plate/) [怎样从大量 π 介子里挑出反质子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/chamberlain-antiproton/) [两组实验遇见同一座窄峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/november-revolution-jpsi/) [一个电子、一个缪子，怎样指向 τ 轻子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/perl-tau-missing-energy/)