编者注：本文最初发表于 1998 年 12 月号，现重新发布以突出诺贝尔奖和《大众科学》之间长期交织的历史。
“最后一次研讨会，在理研附近一栋未被烧毁的华丽房子里举行，专门讨论[电子]簇射理论……继续研讨会很困难，因为凑川的房子在四月份被烧毁，实验室在五月份被严重破坏。实验室在七月份搬到了小诸附近的一个村庄；包括我在内的四名物理学学生住在那里。宫岛辰雄也搬到了同一个村庄，我们在那里继续研究到 1945 年末。”——早川幸男，天体物理学家
在 1935 年至 1955 年间，少数日本男子将他们的心思投入到理论物理学中尚未解决的问题上。他们自学了量子力学，构建了电磁量子理论，并假设了新粒子的存在。他们的大部分时间都处于动荡之中，家园被摧毁，腹中空空。但对于科学家来说，最糟糕的时期却是科学发展的最佳时期。战后，当麻木的日本清点这场浩劫时，其物理学家带回了两项诺贝尔奖。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
他们的成就更加引人注目，因为他们的社会在几十年前才接触到科学方法。1854 年，马修·佩里准将的军舰迫使该国向国际贸易开放，结束了两个世纪的与世隔绝。日本意识到，没有现代技术，其军事力量薄弱。一群受过教育的武士迫使统治的幕府将军在 1868 年下台，并恢复了天皇的统治，在此之前，天皇只是一个傀儡。新政权派遣年轻人到德国、法国、英国和美国学习语言、科学、工程和医学，并在东京、京都等地建立了西式大学。
长冈半太郎是日本最早的物理学家之一。他的父亲是一位前武士，最初教他的儿子书法和中文。但在国外旅行后，他带回了大量英文教科书，并为自己教了他所有错误的科目而道歉。在大学里，长冈犹豫是否要从事科学；他不确定亚洲人是否能掌握这门技艺。但在研究了一年的中国科学史后，他认为日本人也可能有机会。
1903 年，长冈提出了原子模型，该模型包含一个被电子环包围的小原子核。这个“土星式”模型是第一个包含原子核的模型，原子核由欧内斯特·卢瑟福于 1911 年在英国剑桥的卡文迪许实验室发现。
通过对中国（1895 年）、俄罗斯（1905 年）和第一次世界大战的胜利来衡量，日本对技术的追求是成功的。其较大的公司建立了研究实验室，并于 1917 年在东京成立了一个准政府机构，名为理研（物理和化学研究所）。尽管理研旨在为工业提供技术支持，但也进行了基础研究。
理研的一位年轻科学家仁科芳雄于 1919 年被派往国外，在英国和德国旅行，并在哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所度过了六年。仁科与奥斯卡·克莱因一起计算了一个光子（即光的量子）从电子上弹起的概率。这种相互作用是新兴的电磁量子理论的基础，现在被称为量子电动力学。
当他于 1928 年回到日本时，仁科带回了“哥本哈根精神”——一种民主的研究风格，任何人都可以畅所欲言，这与日本大学的专制规范形成对比——以及对现代问题和方法的了解。来自西方的名人，如沃纳·K·海森堡和保罗·A·M·狄拉克，前来参观，向敬畏的学生和教师们讲课。
躲在会场后排的朝永振一郎是少数几个理解海森堡讲座的人之一。他刚刚花了一年半的时间，作为一名本科生，从所有原始论文中自学量子力学。在讲座的最后一天，长冈斥责说，海森堡和狄拉克在 20 多岁时就发现了一种新的理论，而日本学生仍然可悲地抄写着讲义。“长冈的鼓励并没有给我带来任何帮助，”朝永后来承认道。
武士之子 但他注定要有所作为，与他的高中和大学同学汤川秀树一起。两个人的父亲都曾在国外旅行，并且是学者：朝永的父亲是西方哲学教授，汤川的父亲是地质学教授。两人都出身武士世家。甚至在去上学之前，年轻的汤川就从他的外祖父（一位前武士）那里学习了儒家经典。后来，他遇到了道家圣人的著作，他将道家圣人的质疑态度比作科学追求。朝永在 1922 年在京都听阿尔伯特·爱因斯坦讲课以及阅读用日语编写的科普书籍后，受到启发而学习物理学。
两人于 1929 年从京都大学获得学士学位，当时正值全球大萧条开始。由于缺少工作，他们留在大学担任无薪助手。他们互相教授新的物理学，并继续独立进行研究项目。“大萧条使我们成为了学者，”汤川后来开玩笑说。
1932 年，朝永加入了仁科在理研的活跃团队。汤川搬到大阪大学，让朝永恼火的是，他自信地专注于当时最深层的问题。（汤川的小学一年级老师曾写道：“自我意识强，意志坚定。”）其中一个问题是量子电动力学的严重病理，称为无限自能量问题。许多计算的结果都变成了无穷大：例如，电子会与其自身电磁场的量子相互作用，使其质量或能量无限增加。汤川在这个问题上几乎没有取得任何进展，这个问题将在接下来的二十年中占据世界上一些杰出人物的头脑。“每天我都会摧毁我当天创造的想法。当我晚上走过鸭川回家时，我感到绝望，”他后来回忆道。
最终，他决定解决一个看似更容易的问题：质子和中子之间力的性质。海森堡曾提出这种力是通过交换电子传递的。由于电子具有二分之一的固有角动量或自旋，因此他的想法违反了角动量守恒，这是量子力学的基本原理。但是，海森堡、玻尔和其他人刚刚用量子规则取代了电子和光子行为的经典规则，他们都太愿意抛弃量子物理学，并假设质子和中子遵循他们自己的激进新规则。不幸的是，海森堡的模型还预测核力的范围长了 200 倍。
汤川发现，力的范围与传递它的粒子的质量成反比。例如，电磁力的范围是无限的，因为它是由无质量的光子携带的。另一方面，核力被限制在原子核内，应该由一个质量是电子 200 倍的粒子来传递。他还发现，核粒子需要零或一的自旋以保持角动量守恒。
汤川在 1935 年发表了他的第一篇原创论文，发表在《日本物理数学会学报》上。尽管这篇论文是用英文写的，但它被忽略了两年。汤川大胆地预测了一种新粒子——从而无视了奥卡姆剃刀原理，即不应不必要地增殖解释实体。1937 年，加州理工学院的卡尔·D·安德森和塞斯·H·内德梅尔在宇宙射线留下的痕迹中发现了带电粒子，这些粒子的质量大约符合汤川理论的要求。但是，宇宙射线粒子出现在海平面而不是被高空吸收，因此其寿命比汤川预测的寿命长 100 倍。
与此同时，朝永与仁科一起研究量子电动力学。1937 年，他访问了莱比锡大学的海森堡，与他合作了两年，研究核力理论。汤川也到达了那里，他正在前往布鲁塞尔参加著名的索尔维会议的途中。但是会议被取消了，两人不得不匆匆离开欧洲。
战争使量子物理学的黄金时代戛然而止。新物理学的创始人，直到那时都集中在德国哥廷根等欧洲中心，四散而去，最终主要落户美国。海森堡独自一人留在德国，至少最初继续研究场论——量子电动力学的推广——并与朝永保持联系。
一场前所未有的战争
到 1941 年日本加入世界大战时，汤川已成为京都大学的教授。他的学生和合作者包括两位激进分子，坂田昌一和武谷三男。当时，马克思主义哲学在知识分子中很有影响力，他们认为这是对抗帝国政府军国主义的解毒剂。不幸的是，武谷为马克思主义期刊《世界文化》所写的文章引起了思想警察的注意。由于仁科的干预，他于 1938 年被监禁了六个月，然后被释放到汤川的监护之下。尽管汤川完全沉浸在物理学中，并且根本没有表达任何政治观点，但他仍然在他的实验室里庇护这些激进分子。
坂田昌一和武谷三男发展了一种被称为“三阶段理论”的马克思主义科学哲学。假设一位研究人员发现了一种新的、无法解释的现象。首先，他或她会学习细节并试图辨别规律。接下来，科学家会提出一个定性的模型来解释这些模式，最后会发展出一个精确的数学理论来概括这个模型。但是，另一个新发现很快会迫使这个过程重复。因此，科学的历史就像一个螺旋，不断循环却又不断前进。这种哲学影响了许多年轻的物理学家，包括我们中的一位（南部阳一郎）。
与此同时，当太平洋战争肆虐时，研究人员继续进行物理学研究。1942年，坂田昌一和井上健提出，安德森和内德迈耶看到的并非汤川秀树的粒子，而是更轻的物体，现在称为μ子，它来自真正的汤川粒子——π介子的衰变。他们向介子俱乐部（一个定期会面讨论物理学的非正式小组）描述了他们的理论，并在日本的一份期刊上发表了该理论。
汤川秀树每周有一天做战争方面的工作；他从未说过这意味着什么。（他确实说过，他在通勤去军事实验室时会阅读《源氏物语》。）在东京文理科大学（现称筑波大学）担任教授的朝永振一郎则更多地参与了战争工作。他与东京大学的小谷正雄一起，为海军开发了磁控管理论——磁控管是用于雷达系统产生电磁波的装置。通过一位他认识的潜艇艇长之手，海森堡给朝永振一郎送去了一篇关于他发明的一种描述量子粒子相互作用的技术的论文。本质上，这是一种波的理论，朝永振一郎很快将其应用于设计雷达波导。
与此同时，朝永振一郎正在解决汤川秀树放弃的无限自能问题。为此，他开发了一种描述几个相互作用的量子粒子（例如，以接近光速运动的电子）行为的方法。他概括了狄拉克的一个想法，不仅为每个粒子分配了空间坐标，还分配了它自己的时间坐标，并将这种公式称为“超多时间理论”。这项工作成为了量子电动力学的强大框架，并于1943年在理研的科学期刊上发表。
那时，大多数学生已被动员参战。南部阳一郎是被分配到陆军雷达研究的人员之一。（陆军和海军之间的激烈竞争导致双方重复对方的工作）。资源短缺，技术往往非常原始：陆军无法开发出可定位敌方目标的可移动雷达系统。南部阳一郎有一次被交予一块大约三英寸见方的坡莫合金磁铁，并被告知利用它尽可能地进行空中潜艇探测。他还被告知要从海军那里偷取朝永振一郎关于波导的论文，该论文被标记为“机密”，他通过拜访一位毫无戒心的教授完成了这项任务[参见Madhusree Mukerjee撰写的《弦和胶子——先知都看到了它们，》；《大众科学》，1995年2月]。
（有趣的是，日本过去的技术贡献包括由冈部金次郎设计的优秀磁控管和一种天线；后者由八木秀次和宇田新太郎于1925年发明，至今仍从许多屋顶伸出。日本武装部队从一份缴获的英国手册中了解到“八木天线阵”的重要性。）
东京地区周围的年轻物理学家在条件允许的情况下继续他们的学业；来自东京大学的教授以及朝永振一郎会在周日为他们举办特别课程。1944年，一些学生（包括本文开头引述的那位早川幸男）从战争研究中解放出来，返回了大学校园。即便如此，时局仍然艰难。一位学生的房子被烧毁，另一位被征兵入伍，还有一位在被征兵入伍前不久房子被烧毁。研讨会的地点多次变更。身体一直很虚弱的朝永振一郎有时会躺在病床上指导他的学生。
与此同时，陆军指示仁科芳雄调查制造原子弹的可能性。1943年，他得出结论，如果给予足够的时间和金钱，这是可行的。他指派了一位年轻的宇宙射线物理学家竹内正，制造一种用于分离制造原子弹所需的较轻形式铀的装置。显然，仁科芳雄认为这个项目有助于在战争结束后保持物理学研究的活力。回到监狱的武谷三男也被迫参与解决这个问题。他并不介意，因为他知道这不可能成功。
在太平洋的另一端，曼哈顿计划雇用了大约15万名男女，更不用说聚集了一群天才和20亿美元。相比之下，当日本学生意识到他们需要糖来制造六氟化铀（从中可以提取铀）时，他们不得不拿出自己微薄的口粮。海军在1943年开始的另一项努力也为时已晚，力量不足。到战争结束时，这些项目仅生产了一块邮票大小的铀金属，但仍未富集其轻形式。
两颗原子弹在日本爆炸。加利福尼亚大学伯克利分校的路易斯·W·阿尔瓦雷斯在向长崎投下第二颗原子弹的飞机上，部署了三个麦克风来测量爆炸的强度。在这些仪器周围，他包裹了一封由他和他的两位伯克利同事菲利普·莫里森和罗伯特·瑟伯起草的信（附有两份复印件）。这封信是写给佐贺根谅吉的，他是长冈半太郎的儿子，也是朝永振一郎小组的一名物理学家。佐贺根是一位实验员，曾在伯克利学习了两年关于回旋加速器的知识，回旋加速器是用于进行粒子物理学研究的庞大机器。他结识了三位现在试图告知他炸弹性质的美国人。尽管这封信被宪兵队截获，但佐贺根只是在战后才了解到这封信。在日本于1945年8月投降后，该国实际上在美国的占领下持续了七年。道格拉斯·麦克阿瑟将军的行政部门改革、自由化并扩大了大学系统。但核领域和相关领域的实验研究基本上是被禁止的。日本所有的回旋加速器都被拆除并扔进海里，因为担心它们可能被用于研究原子弹。
无论如何，糟糕的经济状况不允许奢侈地进行实验研究。朝永振一郎与家人住在一个实验室里，该实验室的一半已被炸成碎片。南部阳一郎作为研究助理来到东京大学，并在实验室里住了三年，睡在铺在桌子上的草席上（并且由于没有其他衣服，总是穿着军装）。邻近的办公室也同样被占用，其中一间由一位教授和他的家人占用。
饥饿的和平 获得食物是每个人的当务之急。南部阳一郎有时会在东京的鱼市找到沙丁鱼，由于他没有冰箱，这些沙丁鱼很快就会产生恶臭。在周末，他会冒险去乡村，向农民索要他们能提供的任何东西。
其他几位物理学家也使用这个房间。其中一位，小林次郎，当时在文理科大学与朝永振一郎的小组一起研究自能问题。一些同事专门研究固体和液体（现在称为凝聚态物理），由小谷正雄和他的助手久保亮吾指导，后者后来因其在统计力学中的定理而闻名。这些年轻人互相教授他们所了解的物理知识，并定期访问麦克阿瑟设立的图书馆，仔细阅读到达的任何期刊。
在1946年的一次会议上，当时在名古屋大学（其物理系已迁至郊区小学）的坂田昌一提出了一种通过平衡电磁力与一种未知力来处理电子的无限自能的方法。在计算结束时，后者可以被诱导消失。（大约在同一时间，新泽西州普林斯顿高级研究所的亚伯拉罕·佩斯提出了类似的解决方案。）尽管该方法存在缺陷，但它最终引导朝永振一郎的小组弄清楚如何通过一种现在称为重整化的方法来消除无限性。
这次的结果发表在《理论物理学进展》上，这是一份由汤川秀树于1946年创办的英文期刊。1947年9月，朝永振一郎在《新闻周刊》上读到了一篇关于哥伦比亚大学的威利斯·E·兰姆和罗伯特·C·雷瑟福德取得的惊人实验结果。氢原子中的电子可以占据几种量子态之一；先前认为具有相同能量的两种状态，实际上能量略有不同。
在该发现被报道后，康奈尔大学的汉斯·贝特对“兰姆移位”（即能量差异）进行了快速的非相对论计算。这种效应是电子在原子内部移动时其无限自能的有限变化。朝永振一郎和他的学生很快通过正确地解释无限性而获得了相对论结果。
他们的工作与哈佛大学的朱利安·S·施温格几乎同时进行的工作非常相似。多年后，朝永振一郎和施温格都注意到了他们职业生涯中惊人的相似之处：两人都曾在各自的战争努力中研究过雷达、波传播和磁控管，两人都使用海森堡的理论来解决同一个问题。两人因发展量子电动力学而与理查德·费曼于1965年分享了诺贝尔奖。（费曼有自己独特的观点——包括在时间上向后移动的电子——高级研究所的弗里曼·戴森后来证明这等同于朝永振一郎和施温格的方法。）朝永振一郎和施温格的名字都意味着“振荡器”，这在许多物理学中都是一个基本系统。
大约在兰姆移位被报道的同时，英格兰的一个小组发现，在暴露于高空的宇宙射线的照相底片中，π介子会衰变为μ子。这一发现证明井上、坂田和汤川的理论是惊人正确的。尘埃落定之后，很明显汤川秀树发现了一条关于力的深刻规则：力是由自旋总是整数且质量决定其范围的粒子传递的。此外，他假设新粒子的策略被证明是惊人地成功的。20世纪见证了大量亚原子粒子的发现，其中许多粒子早在几年前就被预测到了。
1947 年，新的粒子开始出现，它们非常令人困惑，以至于被称为“奇异”粒子。虽然它们很少出现，但通常成对出现，而且寿命异常地长。最终，加州理工学院的默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）以及大阪市立大学的西岛和彦（Kazuhiko Nishijima）和其他日本研究人员独立地发现了它们特性背后的规律，这种规律用一个叫做“奇异性”的量子特征来描述。（识别出这种模式是三阶段理论的第一步。）
在随后的几年里，坂田和他的同事们积极地整理大量涌现的粒子，并假设了一个数学框架或三元组，成为了夸克模型的先驱。（这个框架构成了第二阶段。目前，高能物理学及其精确的粒子和力理论，即所谓的标准模型，正处于第三个也是最后一个阶段。）
与此同时，日本的物理学家正在重建与制造原子弹的美国物理学家之间的联系。他们对美国人的感情是复杂的。东京的地毯式轰炸以及广岛和长崎的大屠杀，即使对于那些反对战争的日本人来说，也是令人震惊的。另一方面，占领及其自由化纲领相对来说是仁慈的。也许决定性因素是他们对科学共同的迷恋。
和解
戴森（Dyson）描述了 1948 年，贝特（Bethe）如何收到了第一期的两期用粗糙的棕色纸印刷的《理论物理学进展》（Progress of Theoretical Physics）。第二期中由朝永振一郎（Tomonaga）撰写的一篇文章包含了施温格（Schwinger）理论的核心思想。“不知何故，在战争的废墟和动荡中，朝永在日本维持了一个理论物理研究学院，该学院在某些方面领先于当时其他任何地方，”戴森写道，“他在没有哥伦比亚大学实验的任何帮助下，独自推动并奠定了新量子电动力学的基础，比施温格早了五年。它像是来自深渊的声音传给了我们。”时任普林斯顿高等研究院院长的 J·罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）邀请汤川秀树（Yukawa）来访。他在那里度过了一年，在哥伦比亚大学又度过了一年，并在 1949 年获得了诺贝尔奖。朝永也访问了该研究所，并发现它极具启发性。但他很想家。“我觉得自己好像被流放在天堂，”他写信给以前的学生。一年后他回到日本，从事一项关于一维运动粒子的理论研究，该理论目前对弦理论家很有用。
从 20 世纪 50 年代初开始，年轻的物理学家也开始访问美国。一些人，如南部阳一郎（Nambu），留了下来。为了在一定程度上缓解这种人才流失，这些侨民与他们在日本的同事保持着联系。其中一种方式是向一份非正式的通讯《素粒子论研究》（Soryushiron Kenkyu）发送信件，这份通讯经常在继介子俱乐部之后成立的研究小组的会议上被宣读。1953 年，汤川成为京都新研究所的所长，该研究所现在被称为汤川理论物理研究所。
同年，他和朝永在东京和京都主办了一次关于理论物理学的国际会议。包括奥本海默在内的 55 位外国物理学家参加了会议。据说，奥本海默想参观美丽的濑户内海，但汤川劝阻了他，认为奥本海默看到附近的广岛会感到太难过。尽管他们一生都沉浸在抽象概念中，但汤川和朝永都积极参与了反核运动，并在几份呼吁销毁核武器的请愿书上签字。1959 年，东京大学的博士生江崎玲於奈（Leo Esaki）提交了一篇关于半导体量子行为的论文，这项工作最终促成了晶体管的开发。他于 1973 年与伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giaever）和布莱恩·D·约瑟夫森（Brian D. Josephson）分享了第三个日本物理学诺贝尔奖。
人们不禁想知道，为什么对于日本来说，这个世纪最糟糕的几十年反而是其理论物理学家最具创造力的几十年。也许饱受困扰的心灵在对理论的纯粹沉思中寻求逃离战争的恐怖。也许战争增强了一种孤立感，从而激发了原创性。当然，封建时代对教授和管理者的传统效忠风格暂时瓦解了。也许物理学家终于可以自由地追随他们的想法了。或者，也许这段时期太不寻常，无法解释。