1935年，汤川提出了核力的介子场理论。当时，量子电动力学正处于草创阶段，人们已逐渐认识到，电磁相互作用可以看作是在荷电粒子之间交换光子，光子是电磁场的“量子”，它以光速运动因而静质量为零。汤川秀树认为，正如电磁作用是带电粒子间交换光子产生那样，核子也是通过交换一种媒介粒子而发生作用的（即质子和中子通过交换介子而相互转化），可能存在某种属核子力的力场。他通过计算，认为这种粒子的质量约为质子的1/10、为电子的200倍，介于质子和电子之间。人们就称它作“介子”。 他还预言，在宇宙射线的高能粒子中有可能找到介子。介子可以带正、负电荷或者是中性的，一个介子可以转化为一个电子和不带电的轻子（即中微子）。后来这些预言先后被证实。从1947年起，他进一步研究与“非定域场”有关的普遍性理论。介子场理论发表后并未引起人们的重视。1936年，美国的安德森等在研究宇宙射线时发现一种新粒子，其质量为电子质量的200倍。奥本海默认为这就是汤川秀树预言的介子。“介子理论”随之博得人们的青睐。但实际上发现的介子，其寿命比汤川秀树理论预言的介子寿命长许多，并不是汤川秀树预言的介子（后来得知它是一种轻子，与核作用无关，改称μ子），这促使人们投入更多的力量去寻找介子。 经过多年努力，到1947年，英国的鲍威尔等在布列斯托大学用照相乳胶技术研究宇宙射线凯早时，发现了一种新粒子，命名为π介子，结果证实这才是汤川秀树预言的介子。这一发现证实了汤川秀树理论的正确性。 从汤川秀树理论的建立到π介子的发现，标志人类对物质的认识又向前跨进了一步，即从认识原子核进入到认识基本粒子的领域。汤川秀树“由于在核子力理论的基础上预言了介子的存在”，获得了1949年诺贝尔物理学奖；鲍威尔“由于发展了研究核过程的照相方法，并且使用这种方法发现了介子”，获得了1950年诺贝尔物理学奖。 汤川秀树获诺贝尔奖时不过42岁，但他提出据以获奖的介子理论这一科研成果时才25岁。 汤川喜欢沉思，不好交际，但思想上勇于探索，敢于提出创见。他的预言，正如狄拉克正电子预言一样，显示了理论的巨大威力。汤川理论推动了介子物理学的发展。他的成就促成了日本物理学的发展。例如他1942年“论场论的基础”一文启发了朝永振一郎提出重正化理论。他领导的研究所成了生物物理学和宇宙学等新学科的中心。他还积极参加了反对核武器的世界和平运动。长期以来，人们曾普遍认为，近代自然科学的发展是西方科学思想的成果；东方传统的方法论思想则似乎是与近代自然科学的精神相悖。事实上，作为人类认识世界的思想宝库中的中国和东方古代思想，正在以特定的思维方式影响着现代人们对世界的认识，这正反映了古代思想与现代科学的某种契合。这位诺贝尔物理学奖得主并无留学欧美的“镀金”史，完全是日本依靠自身的教育实力培养出来的一位土生土长的科学精英。西方科学家们往往像柏拉胡孙悉图那样把知识的获得过程看作是对古希腊的回忆，而他则是对古中国裤乎的回忆。确实，在他的抽象的理论物理学研究中融合着古代东方的直觉智慧。汤川秀树说：“我之所以把庄子作为话题，是由于早在2300年前，庄子就已经洞察了现代人类状况的这种不可思议的感觉。”特别是由于中国古代哲学思想已经以种种方式渗透在他的心中，并为他“作为科学家树立个性起到了作用”。
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