編者注：本文最初發表於 1998 年 12 月號，現重新發布以突出諾貝爾獎和《大眾科學》之間長期交織的歷史。
“最後一次研討會，在理研附近一棟未被燒燬的華麗房子裡舉行，專門討論[電子]簇射理論……繼續研討會很困難，因為湊川的房子在四月份被燒燬，實驗室在五月份被嚴重破壞。實驗室在七月份搬到了小諸附近的一個村莊；包括我在內的四名物理學學生住在那裡。宮島辰雄也搬到了同一個村莊，我們在那裡繼續研究到 1945 年末。”——早川幸男，天體物理學家
在 1935 年至 1955 年間，少數日本男子將他們的心思投入到理論物理學中尚未解決的問題上。他們自學了量子力學，構建了電磁量子理論，並假設了新粒子的存在。他們的大部分時間都處於動盪之中，家園被摧毀，腹中空空。但對於科學家來說，最糟糕的時期卻是科學發展的最佳時期。戰後，當麻木的日本清點這場浩劫時，其物理學家帶回了兩項諾貝爾獎。
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他們的成就更加引人注目，因為他們的社會在幾十年前才接觸到科學方法。1854 年，馬修·佩裡准將的軍艦迫使該國向國際貿易開放，結束了兩個世紀的與世隔絕。日本意識到，沒有現代技術，其軍事力量薄弱。一群受過教育的武士迫使統治的幕府將軍在 1868 年下臺，並恢復了天皇的統治，在此之前，天皇只是一個傀儡。新政權派遣年輕人到德國、法國、英國和美國學習語言、科學、工程和醫學，並在東京、京都等地建立了西式大學。
長岡半太郎是日本最早的物理學家之一。他的父親是一位前武士，最初教他的兒子書法和中文。但在國外旅行後，他帶回了大量英文教科書，併為自己教了他所有錯誤的科目而道歉。在大學裡，長岡猶豫是否要從事科學；他不確定亞洲人是否能掌握這門技藝。但在研究了一年的中國科學史後，他認為日本人也可能有機會。
1903 年，長岡提出了原子模型，該模型包含一個被電子環包圍的小原子核。這個“土星式”模型是第一個包含原子核的模型，原子核由歐內斯特·盧瑟福於 1911 年在英國劍橋的卡文迪許實驗室發現。
透過對中國（1895 年）、俄羅斯（1905 年）和第一次世界大戰的勝利來衡量，日本對技術的追求是成功的。其較大的公司建立了研究實驗室，並於 1917 年在東京成立了一個準政府機構，名為理研（物理和化學研究所）。儘管理研旨在為工業提供技術支援，但也進行了基礎研究。
理研的一位年輕科學家仁科芳雄於 1919 年被派往國外，在英國和德國旅行，並在哥本哈根的尼爾斯·玻爾研究所度過了六年。仁科與奧斯卡·克萊因一起計算了一個光子（即光的量子）從電子上彈起的機率。這種相互作用是新興的電磁量子理論的基礎，現在被稱為量子電動力學。
當他於 1928 年回到日本時，仁科帶回了“哥本哈根精神”——一種民主的研究風格，任何人都可以暢所欲言，這與日本大學的專制規範形成對比——以及對現代問題和方法的瞭解。來自西方的名人，如沃納·K·海森堡和保羅·A·M·狄拉克，前來參觀，向敬畏的學生和教師們講課。
躲在會場後排的朝永振一郎是少數幾個理解海森堡講座的人之一。他剛剛花了一年半的時間，作為一名本科生，從所有原始論文中自學量子力學。在講座的最後一天，長岡斥責說，海森堡和狄拉克在 20 多歲時就發現了一種新的理論，而日本學生仍然可悲地抄寫著講義。“長岡的鼓勵並沒有給我帶來任何幫助，”朝永後來承認道。
武士之子 但他註定要有所作為，與他的高中和大學同學湯川秀樹一起。兩個人的父親都曾在國外旅行，並且是學者：朝永的父親是西方哲學教授，湯川的父親是地質學教授。兩人都出身武士世家。甚至在去上學之前，年輕的湯川就從他的外祖父（一位前武士）那裡學習了儒家經典。後來，他遇到了道家聖人的著作，他將道家聖人的質疑態度比作科學追求。朝永在 1922 年在京都聽阿爾伯特·愛因斯坦講課以及閱讀用日語編寫的科普書籍後，受到啟發而學習物理學。
兩人於 1929 年從京都大學獲得學士學位，當時正值全球大蕭條開始。由於缺少工作，他們留在大學擔任無薪助手。他們互相教授新的物理學，並繼續獨立進行研究專案。“大蕭條使我們成為了學者，”湯川后來開玩笑說。
1932 年，朝永加入了仁科在理研的活躍團隊。湯川搬到大阪大學，讓朝永惱火的是，他自信地專注於當時最深層的問題。（湯川的小學一年級老師曾寫道：“自我意識強，意志堅定。”）其中一個問題是量子電動力學的嚴重病理，稱為無限自能量問題。許多計算的結果都變成了無窮大：例如，電子會與其自身電磁場的量子相互作用，使其質量或能量無限增加。湯川在這個問題上幾乎沒有取得任何進展，這個問題將在接下來的二十年中佔據世界上一些傑出人物的頭腦。“每天我都會摧毀我當天創造的想法。當我晚上走過鴨川回家時，我感到絕望，”他後來回憶道。
最終，他決定解決一個看似更容易的問題：質子和中子之間力的性質。海森堡曾提出這種力是透過交換電子傳遞的。由於電子具有二分之一的固有角動量或自旋，因此他的想法違反了角動量守恆，這是量子力學的基本原理。但是，海森堡、玻爾和其他人剛剛用量子規則取代了電子和光子行為的經典規則，他們都太願意拋棄量子物理學，並假設質子和中子遵循他們自己的激進新規則。不幸的是，海森堡的模型還預測核力的範圍長了 200 倍。
湯川發現，力的範圍與傳遞它的粒子的質量成反比。例如，電磁力的範圍是無限的，因為它是由無質量的光子攜帶的。另一方面，核力被限制在原子核內，應該由一個質量是電子 200 倍的粒子來傳遞。他還發現，核粒子需要零或一的自旋以保持角動量守恆。
湯川在 1935 年發表了他的第一篇原創論文，發表在《日本物理數學會學報》上。儘管這篇論文是用英文寫的，但它被忽略了兩年。湯川大膽地預測了一種新粒子——從而無視了奧卡姆剃刀原理，即不應不必要地增殖解釋實體。1937 年，加州理工學院的卡爾·D·安德森和塞斯·H·內德梅爾在宇宙射線留下的痕跡中發現了帶電粒子，這些粒子的質量大約符合湯川理論的要求。但是，宇宙射線粒子出現在海平面而不是被高空吸收，因此其壽命比湯川預測的壽命長 100 倍。
與此同時，朝永與仁科一起研究量子電動力學。1937 年，他訪問了萊比錫大學的海森堡，與他合作了兩年，研究核力理論。湯川也到達了那裡，他正在前往布魯塞爾參加著名的索爾維會議的途中。但是會議被取消了，兩人不得不匆匆離開歐洲。
戰爭使量子物理學的黃金時代戛然而止。新物理學的創始人，直到那時都集中在德國哥廷根等歐洲中心，四散而去，最終主要落戶美國。海森堡獨自一人留在德國，至少最初繼續研究場論——量子電動力學的推廣——並與朝永保持聯絡。
一場前所未有的戰爭
到 1941 年日本加入世界大戰時，湯川已成為京都大學的教授。他的學生和合作者包括兩位激進分子，坂田昌一和武谷三男。當時，馬克思主義哲學在知識分子中很有影響力，他們認為這是對抗帝國政府軍國主義的解毒劑。不幸的是，武谷為馬克思主義期刊《世界文化》所寫的文章引起了思想警察的注意。由於仁科的干預，他於 1938 年被監禁了六個月，然後被釋放到湯川的監護之下。儘管湯川完全沉浸在物理學中，並且根本沒有表達任何政治觀點，但他仍然在他的實驗室裡庇護這些激進分子。
坂田昌一和武谷三男發展了一種被稱為“三階段理論”的馬克思主義科學哲學。假設一位研究人員發現了一種新的、無法解釋的現象。首先，他或她會學習細節並試圖辨別規律。接下來，科學家會提出一個定性的模型來解釋這些模式，最後會發展出一個精確的數學理論來概括這個模型。但是，另一個新發現很快會迫使這個過程重複。因此，科學的歷史就像一個螺旋，不斷迴圈卻又不斷前進。這種哲學影響了許多年輕的物理學家，包括我們中的一位（南部陽一郎）。
與此同時，當太平洋戰爭肆虐時，研究人員繼續進行物理學研究。1942年，坂田昌一和井上健提出，安德森和內德邁耶看到的並非湯川秀樹的粒子，而是更輕的物體，現在稱為μ子，它來自真正的湯川粒子——π介子的衰變。他們向介子俱樂部（一個定期會面討論物理學的非正式小組）描述了他們的理論，並在日本的一份期刊上發表了該理論。
湯川秀樹每週有一天做戰爭方面的工作；他從未說過這意味著什麼。（他確實說過，他在通勤去軍事實驗室時會閱讀《源氏物語》。）在東京文理科大學（現稱筑波大學）擔任教授的朝永振一郎則更多地參與了戰爭工作。他與東京大學的小谷正雄一起，為海軍開發了磁控管理論——磁控管是用於雷達系統產生電磁波的裝置。透過一位他認識的潛艇艇長之手，海森堡給朝永振一郎送去了一篇關於他發明的一種描述量子粒子相互作用的技術的論文。本質上，這是一種波的理論，朝永振一郎很快將其應用於設計雷達波導。
與此同時，朝永振一郎正在解決湯川秀樹放棄的無限自能問題。為此，他開發了一種描述幾個相互作用的量子粒子（例如，以接近光速運動的電子）行為的方法。他概括了狄拉克的一個想法，不僅為每個粒子分配了空間座標，還分配了它自己的時間座標，並將這種公式稱為“超多時間理論”。這項工作成為了量子電動力學的強大框架，並於1943年在理研的科學期刊上發表。
那時，大多數學生已被動員參戰。南部陽一郎是被分配到陸軍雷達研究的人員之一。（陸軍和海軍之間的激烈競爭導致雙方重複對方的工作）。資源短缺，技術往往非常原始：陸軍無法開發出可定位敵方目標的可移動雷達系統。南部陽一郎有一次被交予一塊大約三英寸見方的坡莫合金磁鐵，並被告知利用它儘可能地進行空中潛艇探測。他還被告知要從海軍那裡偷取朝永振一郎關於波導的論文，該論文被標記為“機密”，他透過拜訪一位毫無戒心的教授完成了這項任務[參見Madhusree Mukerjee撰寫的《弦和膠子——先知都看到了它們，》；《大眾科學》，1995年2月]。
（有趣的是，日本過去的技術貢獻包括由岡部金次郎設計的優秀磁控管和一種天線；後者由八木秀次和宇田新太郎於1925年發明，至今仍從許多屋頂伸出。日本武裝部隊從一份繳獲的英國手冊中瞭解到“八木天線陣”的重要性。）
東京地區周圍的年輕物理學家在條件允許的情況下繼續他們的學業；來自東京大學的教授以及朝永振一郎會在週日為他們舉辦特別課程。1944年，一些學生（包括本文開頭引述的那位早川幸男）從戰爭研究中解放出來，返回了大學校園。即便如此，時局仍然艱難。一位學生的房子被燒燬，另一位被徵兵入伍，還有一位在被徵兵入伍前不久房子被燒燬。研討會的地點多次變更。身體一直很虛弱的朝永振一郎有時會躺在病床上指導他的學生。
與此同時，陸軍指示仁科芳雄調查製造原子彈的可能性。1943年，他得出結論，如果給予足夠的時間和金錢，這是可行的。他指派了一位年輕的宇宙射線物理學家竹內正，製造一種用於分離製造原子彈所需的較輕形式鈾的裝置。顯然，仁科芳雄認為這個專案有助於在戰爭結束後保持物理學研究的活力。回到監獄的武谷三男也被迫參與解決這個問題。他並不介意，因為他知道這不可能成功。
在太平洋的另一端，曼哈頓計劃僱用了大約15萬名男女，更不用說聚集了一群天才和20億美元。相比之下，當日本學生意識到他們需要糖來製造六氟化鈾（從中可以提取鈾）時，他們不得不拿出自己微薄的口糧。海軍在1943年開始的另一項努力也為時已晚，力量不足。到戰爭結束時，這些專案僅生產了一塊郵票大小的鈾金屬，但仍未富集其輕形式。
兩顆原子彈在日本爆炸。加利福尼亞大學伯克利分校的路易斯·W·阿爾瓦雷斯在向長崎投下第二顆原子彈的飛機上，部署了三個麥克風來測量爆炸的強度。在這些儀器周圍，他包裹了一封由他和他的兩位伯克利同事菲利普·莫里森和羅伯特·瑟伯起草的信（附有兩份影印件）。這封信是寫給佐賀根諒吉的，他是長岡半太郎的兒子，也是朝永振一郎小組的一名物理學家。佐賀根是一位實驗員，曾在伯克利學習了兩年關於迴旋加速器的知識，迴旋加速器是用於進行粒子物理學研究的龐大機器。他結識了三位現在試圖告知他炸彈性質的美國人。儘管這封信被憲兵隊截獲，但佐賀根只是在戰後才瞭解到這封信。在日本於1945年8月投降後，該國實際上在美國的佔領下持續了七年。道格拉斯·麥克阿瑟將軍的行政部門改革、自由化並擴大了大學系統。但核領域和相關領域的實驗研究基本上是被禁止的。日本所有的迴旋加速器都被拆除並扔進海里，因為擔心它們可能被用於研究原子彈。
無論如何，糟糕的經濟狀況不允許奢侈地進行實驗研究。朝永振一郎與家人住在一個實驗室裡，該實驗室的一半已被炸成碎片。南部陽一郎作為研究助理來到東京大學，並在實驗室裡住了三年，睡在鋪在桌子上的草蓆上（並且由於沒有其他衣服，總是穿著軍裝）。鄰近的辦公室也同樣被佔用，其中一間由一位教授和他的家人佔用。
飢餓的和平 獲得食物是每個人的當務之急。南部陽一郎有時會在東京的魚市找到沙丁魚，由於他沒有冰箱，這些沙丁魚很快就會產生惡臭。在週末，他會冒險去鄉村，向農民索要他們能提供的任何東西。
其他幾位物理學家也使用這個房間。其中一位，小林次郎，當時在文理科大學與朝永振一郎的小組一起研究自能問題。一些同事專門研究固體和液體（現在稱為凝聚態物理），由小谷正雄和他的助手久保亮吾指導，後者後來因其在統計力學中的定理而聞名。這些年輕人互相教授他們所瞭解的物理知識，並定期訪問麥克阿瑟設立的圖書館，仔細閱讀到達的任何期刊。
在1946年的一次會議上，當時在名古屋大學（其物理系已遷至郊區小學）的坂田昌一提出了一種透過平衡電磁力與一種未知力來處理電子的無限自能的方法。在計算結束時，後者可以被誘導消失。（大約在同一時間，新澤西州普林斯頓高階研究所的亞伯拉罕·佩斯提出了類似的解決方案。）儘管該方法存在缺陷，但它最終引導朝永振一郎的小組弄清楚如何透過一種現在稱為重整化的方法來消除無限性。
這次的結果發表在《理論物理學進展》上，這是一份由湯川秀樹於1946年創辦的英文期刊。1947年9月，朝永振一郎在《新聞週刊》上讀到了一篇關於哥倫比亞大學的威利斯·E·蘭姆和羅伯特·C·雷瑟福德取得的驚人實驗結果。氫原子中的電子可以佔據幾種量子態之一；先前認為具有相同能量的兩種狀態，實際上能量略有不同。
在該發現被報道後，康奈爾大學的漢斯·貝特對“蘭姆移位”（即能量差異）進行了快速的非相對論計算。這種效應是電子在原子內部移動時其無限自能的有限變化。朝永振一郎和他的學生很快透過正確地解釋無限性而獲得了相對論結果。
他們的工作與哈佛大學的朱利安·S·施溫格幾乎同時進行的工作非常相似。多年後，朝永振一郎和施溫格都注意到了他們職業生涯中驚人的相似之處：兩人都曾在各自的戰爭努力中研究過雷達、波傳播和磁控管，兩人都使用海森堡的理論來解決同一個問題。兩人因發展量子電動力學而與理查德·費曼於1965年分享了諾貝爾獎。（費曼有自己獨特的觀點——包括在時間上向後移動的電子——高階研究所的弗里曼·戴森後來證明這等同於朝永振一郎和施溫格的方法。）朝永振一郎和施溫格的名字都意味著“振盪器”，這在許多物理學中都是一個基本系統。
大約在蘭姆移位被報道的同時，英格蘭的一個小組發現，在暴露於高空的宇宙射線的照相底片中，π介子會衰變為μ子。這一發現證明井上、坂田和湯川的理論是驚人正確的。塵埃落定之後，很明顯湯川秀樹發現了一條關於力的深刻規則：力是由自旋總是整數且質量決定其範圍的粒子傳遞的。此外，他假設新粒子的策略被證明是驚人地成功的。20世紀見證了大量亞原子粒子的發現，其中許多粒子早在幾年前就被預測到了。
1947 年，新的粒子開始出現，它們非常令人困惑，以至於被稱為“奇異”粒子。雖然它們很少出現，但通常成對出現，而且壽命異常地長。最終，加州理工學院的默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）以及大阪市立大學的西島和彥（Kazuhiko Nishijima）和其他日本研究人員獨立地發現了它們特性背後的規律，這種規律用一個叫做“奇異性”的量子特徵來描述。（識別出這種模式是三階段理論的第一步。）
在隨後的幾年裡，坂田和他的同事們積極地整理大量湧現的粒子，並假設了一個數學框架或三元組，成為了夸克模型的先驅。（這個框架構成了第二階段。目前，高能物理學及其精確的粒子和力理論，即所謂的標準模型，正處於第三個也是最後一個階段。）
與此同時，日本的物理學家正在重建與製造原子彈的美國物理學家之間的聯絡。他們對美國人的感情是複雜的。東京的地毯式轟炸以及廣島和長崎的大屠殺，即使對於那些反對戰爭的日本人來說，也是令人震驚的。另一方面，佔領及其自由化綱領相對來說是仁慈的。也許決定性因素是他們對科學共同的迷戀。
和解
戴森（Dyson）描述了 1948 年，貝特（Bethe）如何收到了第一期的兩期用粗糙的棕色紙印刷的《理論物理學進展》（Progress of Theoretical Physics）。第二期中由朝永振一郎（Tomonaga）撰寫的一篇文章包含了施溫格（Schwinger）理論的核心思想。“不知何故，在戰爭的廢墟和動盪中，朝永在日本維持了一個理論物理研究學院，該學院在某些方面領先於當時其他任何地方，”戴森寫道，“他在沒有哥倫比亞大學實驗的任何幫助下，獨自推動並奠定了新量子電動力學的基礎，比施溫格早了五年。它像是來自深淵的聲音傳給了我們。”時任普林斯頓高等研究院院長的 J·羅伯特·奧本海默（J. Robert Oppenheimer）邀請湯川秀樹（Yukawa）來訪。他在那裡度過了一年，在哥倫比亞大學又度過了一年，並在 1949 年獲得了諾貝爾獎。朝永也訪問了該研究所，並發現它極具啟發性。但他很想家。“我覺得自己好像被流放在天堂，”他寫信給以前的學生。一年後他回到日本，從事一項關於一維運動粒子的理論研究，該理論目前對弦理論家很有用。
從 20 世紀 50 年代初開始，年輕的物理學家也開始訪問美國。一些人，如南部陽一郎（Nambu），留了下來。為了在一定程度上緩解這種人才流失，這些僑民與他們在日本的同事保持著聯絡。其中一種方式是向一份非正式的通訊《素粒子論研究》（Soryushiron Kenkyu）傳送信件，這份通訊經常在繼介子俱樂部之後成立的研究小組的會議上被宣讀。1953 年，湯川成為京都新研究所的所長，該研究所現在被稱為湯川理論物理研究所。
同年，他和朝永在東京和京都主辦了一次關於理論物理學的國際會議。包括奧本海默在內的 55 位外國物理學家參加了會議。據說，奧本海默想參觀美麗的瀨戶內海，但湯川勸阻了他，認為奧本海默看到附近的廣島會感到太難過。儘管他們一生都沉浸在抽象概念中，但湯川和朝永都積極參與了反核運動，並在幾份呼籲銷燬核武器的請願書上簽字。1959 年，東京大學的博士生江崎玲於奈（Leo Esaki）提交了一篇關於半導體量子行為的論文，這項工作最終促成了電晶體的開發。他於 1973 年與伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever）和布萊恩·D·約瑟夫森（Brian D. Josephson）分享了第三個日本物理學諾貝爾獎。
人們不禁想知道，為什麼對於日本來說，這個世紀最糟糕的幾十年反而是其理論物理學家最具創造力的幾十年。也許飽受困擾的心靈在對理論的純粹沉思中尋求逃離戰爭的恐怖。也許戰爭增強了一種孤立感，從而激發了原創性。當然，封建時代對教授和管理者的傳統效忠風格暫時瓦解了。也許物理學家終於可以自由地追隨他們的想法了。或者，也許這段時期太不尋常，無法解釋。