那要如何解释原子核里的强作用力呢？20世纪30年代有一位日本物理学家叫汤川秀树。他提出了一个模型来描述强作用力，这个模型认为质子与中子之间的强作用力是通过交换一种媒介粒子来表达的。这就好像人们在互动中，需要通过声音来传达信息。例如，你和你的一位朋友交谈时，你问了他一个问题，他跟着回答了你。在这个过程中，你和你的朋友相当于在交换声波。如果把声波看作一种粒子（可暂时称为“声子”），你们的互动就是在交换声子。另一个例子是，当两艘船在夜晚的海上行驶，它们需要互相通信。一方面它们会打出不同的灯光来；另一方则接收这个灯光的信号。光其实就是一束光子。因此这种交流也可以看作两艘船通过交换光子来进行交流的。于是，一些物理学家就猜想粒子与粒子之间的交流也可能是通过传递另外一种媒介粒子来完成的。事实上，自从狄拉克的电子理论出现以后，人们又把它扩展为量子场理论，称为“量子电动力学”。在该理论里，电子与电子之间的相互作用，可以用光子的生成和湮灭来解释，这也非常符合“电子之间的相互作用是通过光子的交换”的想法。

图4.7　汤川秀树

（1907—1981）是日本理论物理学家。他在1935年提出了一个解释强作用力的模型。他认为强作用力是由一种叫作“介子”的粒子来传递的。这个想法对后来的粒子物理学产生了很大的影响。他在1949年获得诺贝尔物理学奖。

当然，汤川秀树的强作用力的模型还有很多数学的计算，比我们这里介绍的更加复杂。他还做出了一种估计，这个负责质子与质子之间的相互作用力的媒介粒子是一种“介子”（meson）。根据强作用力能够存在的距离，他估计这种介子的质量大概是电子的几百倍，比质子要小得多。在当时人们还没有发现这种粒子。1936年，安德森从在对宇宙射线的观察中发现了“µ子”。µ子的质量（≈100 MeV）大约是电子质量的两百倍，在电子和质子的质量之间，符合汤川秀树的模型。因此，当时人们以为这个µ子就是汤川模型里预言的介子（见图4.8）。

图4.8　汤川秀树的强作用力模型(www.daowen.com)

根据汤川模型的想法，粒子之间的作用力是通过玻色子的交换来传递的。当时人们认为传递质子与质子之间的强作用力是π介子（pion）。

但在后来，更多的实验发现这个µ子并不参与强作用，它并不是汤川模型里的介子。第二次世界大战后，加速器的能量越来越大，新发现的粒子也越来越多。3位在英国工作的科学家（包括鲍威尔）在1947年发现了π介子。它的质量要比µ子大（≈140 MeV），而且它的性质比较符合汤川模型的预测，因此人们认为它就是汤川模型里的“介子”。因此，汤川秀树在1949年获颁诺贝尔物理学奖。而鲍威尔在1950年也获得了诺贝尔物理学奖。

直到20世纪80年代粒子标准模型建立的时候，人们才发现这个π介子其实是一个由两个夸克组成的基本粒子，而不是一个传递作用力的媒介粒子。因此，一些粒子物理学家原本以为π介子是传递质子与质子之间的强作用力，却发现这又是一个误会。

后来盖尔曼（Murray Gell-Mann）等人发展出夸克理论，该理论认为传递强作用力的其实是一种叫作“胶子”（gluon）的玻色子。与汤川的模型不同，夸克理论里的胶子不是单一的，而是有很多种。这个夸克理论目前已被普遍接受。不过直到现在，科学家还无法直接观察到胶子。

总而言之，虽然汤川的强作用力模型后来被证实是错误的，但是这种“作用力是通过媒介粒子的交换而实现”的观点却已经成了粒子物理学里一个主流的想法。