原子内部只有原子核和电子，剩下的99%，“什么都没有”吗？

1932年对于物理学而言是极不平凡的一年，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，人们逐渐意识到，原子核实际上是由带正电的质子和不带电的中子组成的，而原子核的外围则围绕着电子，这就是我们所熟悉的原子模型。

然而很快，人们又意识到一个新的问题：究竟是什么力量，能够让质子和中子老老实实地待在原子核里呢？

或许有人会认为，质子带正电，中子不带电，两者挤在一起似乎没什么问题。

一个质子和一个中子的组合，的确看不出明显矛盾。

可如果是氦原子核，它由两个质子和两个中子构成，质子和中子之间虽然没有电磁力作用，但质子和质子之间应该是相互排斥的，所以这种神秘的力量首先就不可能是电磁力。

而且氦核只有两个质子，比较重的原子核则可能含有一百多个质子，它们同样挤在原子核内，如果依靠电磁力，它们早就相互弹开，而不会被约束在一起。

值得多说一句的是，这些拥挤在核内的粒子，几乎垄断了整个原子的分量。

测量显示，一个原子超过99.96%的质量都集中在原子核上，而原子核的体积却只有整个原子的几千亿分之一。换句话说，原子里绝大部分空间在经典意义下几乎是"空"的，真正压得住阵脚的物质，全都被塞进了那个针尖般大小的核区。

也正因为如此，把它们困在一起的那种力，必然强得离谱。那么，会不会是引力呢？引力确实是相互吸引的，而且与电性无关。

但人们发现，也不可能是引力。原因在于，质子和中子所受到的这种力有一个显著特点，就是它只在原子核范围内有效，即十的负十五次方米范围内有效，一旦出了原子核，它就会立刻消失。

比如轰击质子时，只要没有把质子轰出原子核以外，它就出不去；而一旦把质子轰出原子核一点点，这种力立马消失，质子便会高速逃脱。这种力被称为短程力，就好像存在一层隐形的胶水，而我们熟知的引力和电磁力都属于长程力。

看来，这是一种前所未见的力量。

当时的物理学家便为这种神秘的力量起了个名字，叫做核力，也叫做强相互作用力。此后，许多人投入到对核力的研究当中，其中就包括本文的主人公——来自日本的物理学家汤川秀树。

1932年，汤川秀树把核力与电磁力进行了对比。当时人们对电磁力已经有了一种新的认识。海森堡最早提出了一种叫做交换力的概念。

简单地说，我们通常理解的引力和电磁力，其实只是我们对于自然规律的总结。比如两个大质量的天体可以相互吸引，是因为万有引力。

可仔细一想，这可能并不是本质原因，因为为什么它们之间会具有万有引力，其实并不清楚。电磁力也是如此，同性相斥、异性相吸，这背后的原因究竟是什么，人们同样说不上来。

我们所拥有的，只是根据观察归纳出的公式和公理——公理本身是不证自明的，自然科学的公理就是自然规律，而这也正是判断科学与否的根据。数学就不一样。

数学可以有公理，也可以有公设，就是人为规定的假设。比如以三角形内角和为180度作为公设，就得到欧氏几何；如果规定三角形内角和不为180度，就会得到非欧几何，两者在逻辑上都是完备的。

总之，一旦开始追问自然科学的公理"为什么会是这样"，问题就会立刻复杂起来。那么，为什么会存在电磁力呢？

量子力学建立之后，人们似乎找到了一种解释，即量子场论中量子电动力学的基本假设。在量子电动力学当中，电磁力被认为是通过交换光子的方式来实现相互作用的。

举个例子，假设只有两个质子，它们都带正电，之所以会相互排斥，是因为这两个质子在相互发射光子，彼此才会相互排斥。当然，这种方式只是处理问题的一种手段。

人们只需要知道电磁力是靠光子来传递相互作用的即可。那引力呢？靠引力子来传递相互作用，不过引力子至今仍未被发现，这依旧是未解之谜。

而弱力则是靠W粒子和Z粒子来传递，这一点后文会再谈到。汤川秀树正是依据电磁力的这种理解，进行了类比推测。

他认为，如此强大的核力，也应该是通过某一种粒子来传递相互作用。可究竟是什么粒子呢？

他最初假设应该是电子，即强相互作用力通过交换电子来发生相互作用。但很快他就发现这行不通。

电子的质量太轻了，如果核力交换的是电子，那核力不可能这么强。于是，汤川秀树又回过头来接着思考：究竟能交换什么粒子呢？

到了1934年，他看到了费米关于贝塔衰变理论的论文，题为《试论贝塔射线理论》。文中提到了泡利所预言的中微子。

看完之后，汤川秀树醍醐灌顶：为什么非要在已知的粒子当中寻找呢？完全有可能是一种新粒子。他立刻拿起笔，大致测算了一下这种粒子的属性。

如果想要达到核力这么大的力，那么作为交换媒介的粒子，其质量应大约是电子净质量的200倍左右。仅从质量来看，这只能是一种新粒子，因为当时已知的粒子当中，并没有这个质量。

可是如果真的存在这种粒子，为什么还没有被人们发现呢？原因在于它的寿命特别短，只有十的负八次方秒左右。

汤川秀树当时便给自己所预言的这个新粒子起了个名字，叫做重量子。后来，印度物理学家巴巴指出，重量子这一名称不具备代表性。

这种粒子的质量介于电子和质子之间，因此不妨叫做介子。它可以带电，也可以不带电。

据此，汤川秀树还大致估算出，如果不算反粒子，介子应该有三种。就这样，1935年，又一种新粒子被预言。

1949年，汤川秀树因此获得诺贝尔物理学奖，摘得了日本的第一块诺贝尔物理学奖牌。至于介子究竟又是被谁发现的，那就是另一个故事了。

原子内部所谓"空"的那99%，从经典物理的直觉看是一片近乎虚空的区域，但从更严谨的角度审视，那里从来都不是真正的空无一物。电子并非老老实实的小圆点，而是以概率云的方式弥散在整个原子空间中，时刻塑造着原子的形态与性质。

而在原子核内部，质子和中子之间不断交换着汤川秀树所预言的介子，正是这层"胶水"锁住了核子。

所谓的"什么都没有"，其实是场与粒子相互作用的舞台，是核力、电磁力乃至弱力共同编织出的隐形结构。