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破解原子核结构的“洋葱圣母”

2022年2月20日是玛丽亚·格佩特-迈耶逝世50周年。1963年她因发现原子核的核壳模型而获诺贝尔物理学奖,也是继居里夫人后第二位获得诺贝尔物理学奖的女科学家,而直至2018年才出现第三人。玛丽亚的经历和成就极少被介绍。她出身学术世家,成长于科学圣地哥廷根,但此后的学术之路因其性别饱受歧视。但她最终凭借自己的才智与毅力,赢得了世界的目光。谨以此文纪念这位真正的科学家。

撰文 | 瞿立建

玛丽亚·格佩特-迈耶(Maria Goeppert-Mayer,1906-1972)以原子核结构的研究成为史上继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理奖的女科学家。玛丽亚·迈耶提出原子核具有类似洋葱一样的结构,物理学家泡利因此称呼迈耶为“洋葱圣母”(The Onion Madonna)。

洋葱圣母的故事像洋葱一样令人流泪。

2022年2月20日是她去世50周年的忌日,特发此文,以纪念之。

自由成长在哥廷根

迈耶出嫁之前叫玛丽亚·格佩特,于1906年6月28日生于德国西里西亚省的卡托维兹(现属于波兰)。玛丽亚的家庭是学术世家,到他的父亲,连续六代都是大学教授。

玛丽亚的父亲弗里德里希·格佩特(Friedrich Göppert)是儿科医生,1910年,玛丽亚四岁的时候,他获得了哥廷根大学副教授的职位,带领一家人搬到哥廷根——德国著名的大学城。

弗里德里希·格佩特,儿科医生、教授,寄希望于独生女玛丽亚延续教授世家的荣光。

弗里德里希很注意培养自己的独生女的科学兴趣。玛丽亚3岁半的时候,父亲给她解释为什么会有月圆月缺的现象。玛丽亚7岁的时候,父亲给她制作观察日食的透镜,并耐心和细致地讲解日食的原理。他还带女儿去采石场挖化石,到森林里认识植物。

弗里德里希是个非典型德国爸爸,那个年代的德国爸爸往往与子女刻意保持距离。而弗里德里希希望培养一个行为大胆、热爱学习、敢于冒险的孩子。他甚至认为孩子的妈妈柔弱的性格会耽误孩子。玛丽亚8岁的时候经常爬树,这时候弗里德里希总是把孩子的妈妈支走,怕妈妈妨碍女儿释放天性。

穿蝙蝠装的玛丽亚

玛丽亚小时候就患有头疼的毛病,这个毛病伴随了她一生。弗里德里希作为儿科名医生也看不好自己女儿的病。他激励女儿,“我已经尽力治你的病了,尝试了所有的选择,但都失败了,现在已经没有了选择。但是,你还有两个选择,一是,做这个病的手下败将,给自己贴上病号的标签;二是,坚强起来,无视疾病,正常生活。”玛丽亚坚定地选择了后者。

那时很多德国的女孩仅仅学些针线活,等长大了嫁人。弗里德里希对他的女儿有很高的期待,勉励他的女儿,“不要仅仅做个女人”,意思是不要做家庭主妇。玛丽亚向父亲保证:“不会仅仅做个女人。”

玛丽亚立志做家族第七代教授。

玛丽亚除了受他父亲影响之外,还结识了很多哥廷根大学名震天下学术大咖。当时的哥廷根大学是世界数学和物理的圣地。

玛丽亚和玻恩一家出游

数学家希尔伯特与玛丽亚家是邻居。希尔伯特的花园竖着长长的黑板,用于室外研讨,玛丽亚曾逃课来听,并听得津津有味,兴趣盎然。每周六上午,希尔伯特站在黑板前做面向公众的科普演讲,玛丽亚不仅是来听讲的常客,还曾被希尔伯特邀为特约嘉宾。

玛丽亚一家与玻恩(Max Born)一家是莫逆之交,玛丽亚经常去玻恩家串门。玻恩视玛丽亚为自己的女儿。而另一位诺贝尔物理奖得主物理学家弗兰克(James Franck)将玛丽亚视作侄女。

1924年,玛丽亚考入哥廷根大学,开始走向学术之路。

哥廷根大学的礼堂

大学时光

读什么专业?玛丽亚最开始的想法是女承父业,学医。她的父亲跟她分析,说她的个性不适合学医。玛丽亚的父亲真是称职的父亲,为她营造了很好的成长环境,在她人生关键节点能给出中肯的建议。

玛丽亚决定学数学。她自己对数学感兴趣,哥廷根又是数学的圣地。玛丽亚选了玻恩所教的所有课程,以卓越的课堂表现打动了玻恩。玻恩邀请她参加自己的研讨班。很快,玛丽亚就成为玻恩最喜欢的学生。然后,就有流言,这对师生有私情。智商浓度如此高的哥廷根,八卦起来也没啥底线。

玛丽亚对物理的兴趣与日俱增,在1927年转学物理学。玛丽亚这么认识数学和物理学:“数学很大程度上是解题……物理学也需要解题,但物理学里的题目来自自然,而不是人的头脑。”

更重要的是,玛丽亚对新生的量子力学特别感兴趣。玛丽亚不光是在纸面上学习量子力学,而是在现场“参与”量子力学的构建。因为那时的哥廷根正是量子力学主要进展的策源地。

从左至右依次为魏斯科普夫、玛丽亚、玻恩

在哥廷根,玻恩和弗兰克联合举办量子力学研讨会,参会者可以随时打断演讲者,表达自己的看法或提出问题,甚至刻薄的批评。玛丽亚和同学们甚至能在课堂上听海森堡讲昨天晚上刚刚得到的想法。

玛丽亚的同学中走出多个科学俊杰,著名的有理论物理学家维克托·魏斯科普夫(Victor Frederick Weisskopf,1908-2002);分子生物学家、1969年诺贝尔生理学或医学奖得主马克斯德尔布吕克(Max Ludwig Henning Delbrück,190-1981分子生物学家)等。

青年男女在一起,很快萌发了爱情。魏斯科普夫爱上了玛丽亚。不过,能获得玛丽亚的芳心可不容易。玛丽亚在哥廷根是万人迷,求交往的小伙子排成排串对串。这也不奇怪,毕竟当时的哥廷根大学男女生比例是9比1。来哥廷根游学的密立根(Robert Millikan)见到玛丽亚,就感慨“恨不相逢未娶时”。

最后赢得美人芳心的是美国来的小伙子约瑟夫·迈耶(Joseph Mayer),人们叫他乔(Joe)。乔是加州大学伯克利分校毕业的博士,专业是化学,1928年来哥廷根大学跟随弗兰克做博士后,学习量子力学。他是玛丽亚家的房客。

乔能说会道、颜值过人,还很有钱,妥妥的高富帅。在哥廷根,趁辆自行车就能叫“土豪”,而乔直接买了辆“敞篷跑车”,拉风无比,一举成为哥廷根最靓的仔。

玛丽亚、乔和玛丽亚的妈妈在乘坐乔的汽车

情场失意的那些人又传出蜚语,说玛丽亚看上的是乔的车。其实,乔的最大优势是,像玛丽亚的父亲一样,热情支持玛丽亚做学术当教授。

做教授有什么不好?其他小伙子为什么不大支持?除了社会偏见之外,还有很现实的问题。当时的大学几乎不向女性开放职位,比如当时的哥廷根大学的数学和物理的女教授就只有一位(艾米·诺特)。即便成为女教授,也没有工资,教学生、做科研,纯粹用爱发电。

1929年,乔和玛丽亚两个年轻人陷入热恋。乔开车带着玛丽亚游览荷兰,到爱因斯坦的朋友,也是哥廷根最好的教师之一的保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)家中做客。玛丽亚滔滔不绝地讲自己的学位论文。埃伦费斯特突然打断她说,“你说得真好,写了吗?”玛丽亚回答说,“还没有。”埃伦费斯特说,“那还不快去写,你就住在客房,把提纲完成,完不成不要出来。”

保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest,1880-1933),奥地利物理学家,1922年取得荷兰国籍。他的主要贡献是在统计力学的领域,尤其是相变理论。

玛丽亚进入埃伦费斯特的客房,一下子惊呆了,一面墙全是侦探小说,另一面墙全是著名科学家的传记,还有一面墙是曾经在这里住过的人的签名。玛丽亚很快完成了论文提纲,把论文的核心问题梳理清楚,在墙上签了自己的名字。

玛丽亚和乔回到哥廷根, 1930年1月,两人举行了结婚典礼,玛丽亚从此冠了夫姓。蜜月之后,玛丽亚专心完成毕业论文。玛丽亚的博士论文是一项理论工作,预言原子或分子可以同时吸收两个光子而跃迁到高能级。玛丽亚的理论到1960年代激光发明之后得到实验验证。1930年3月,玛丽亚通过答辩和最后的考试,获得博士学位。

玛丽亚的志向是当大学教授,在德国,成为女教授的希望非常渺茫,而美国的大学似乎对女性更友好一些。玛丽亚决定随新婚丈夫去美国。

坎坷学术路

1930年愚人节这天,迈耶夫妇抵达美国。乔·迈耶获得了约翰斯·霍普金斯大学的教职,但令他们失望的是,玛丽亚不能获得教职。这是当时美国大学的风气,不给教授的夫人和亲属提供付薪职位,所谓的反裙带主义(Nepotism);再加上大萧条,大学能提供的职位就更少了。

约翰斯·霍普金斯大学(The Johns Hopkins University),简称霍普金斯,是一所主校区位于美国马里兰州巴尔的摩的研究型私立大学

霍普金斯给玛丽亚安排了一个类似研究助理的工作,工资微薄到可以忽略不计。她在物理系有一个办公的地方,可以使用大学的科研设施,还可以上课。玛丽亚承担了繁重的教学任务,教了6门课程。

当时霍普金斯物理系做理论研究的教授寥寥无几,还是有一位理论家卡尔·赫茨菲尔德(Karl Herzfeld,1892-1978),他做化学物理方面的研究,这也是乔感兴趣的研究领域。在两个人的影响下,玛丽亚也进入到这一领域。三人合作将量子力学用于化学问题,比如有机化合物的结构,他们关于苯光谱的研究是量子化学领域里程碑级的成果。

玛丽亚没有丢下核物理的研究。她在1935年提出双β衰变概念,即原子核内的两个质子同时变换成两个中子并释放出两个正电子,或者两个中子同时变换成两个电子,电子和正电子都是β粒子,故称为双β衰变。

从左至右依次为乔·迈耶、玛丽亚·迈耶、卡尔·赫茨菲尔德

玛丽亚成就如此卓著,在霍普金斯的职位却仅仅是非全职研究助理。乔很心疼妻子,他知道自己的妻子天生就应该做教授的,应该有正经的学术履历。乔想为妻子出头,争取更好的工作待遇和环境。但玛丽亚阻止了丈夫的行动,表示能有做物理的机会,已经知足了。

玛丽亚工资最多的一年是200美元,大致相当于现在的4000美元,而在1935年物理系打算取消她的薪资。赫茨菲尔德教授极为愤怒,向校长写信为她鸣不平,信中列举玛丽亚的成就和价值,要求学校给玛丽亚·迈耶博士加薪到1000美元。赫茨菲尔德的信并没有给玛丽亚带来加薪,好在保住了她当时的酬劳。

1937年,玛丽亚怀了第二个孩子,她感觉挺着肚子上课不方便,决定不再上课,便与丈夫合写一部统计力学的教科书。玛丽亚怀着孩子写书的时候,他的丈夫乔却被大学裁员了。大萧条之下,霍普金斯财务状况太差了,校长决定把工资高的教授都裁掉。这并没有给迈耶夫妇带来困难,因为芝加哥大学和哥伦比亚大学马上就送来了聘书。乔选择了哥伦比亚大学。他们的第二个孩子出生后,便动身北上纽约。

哥伦比亚大学,位于美国纽约的世界顶级私立研究型大学,常青藤盟校之一

在哥伦比亚大学,乔的薪水比在约翰·霍普金斯大学时期翻了一倍,但玛丽亚的状况不仅没改善,反而更加艰难。这不仅因为外部经济环境,更糟糕的是,哥伦比亚大学有着浓厚的歧视女性的氛围。哥伦比亚大学大牌教授、核物理学家拉比(Isidor Isaac Rabi)就说,女性的神经结构就天生不适合做科学,她们也可以做出好的科学,但不可能做出伟大的科学。

有人给玛丽亚在物理系安排了一个办公室,物理系主任乔治·皮格勒姆知道后,对玛丽亚说,这里不欢迎你。玛丽亚自此怨恨皮革勒姆一辈子。

化学系主任、诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里(Harold Urey,1893-1981)在化学系给玛丽亚安排了办公室,还出面帮助她获得化学讲师的职位头衔。不过,玛丽亚在化学系也并不顺心。她可以参加学术研讨会,但不能参加会后的聚餐。渐渐地,玛丽亚连研讨会也不去了。

哈罗德·尤里(Harold Urey,1893-1981),美国科学家,因发现氢的同位素氘获得1934年诺贝尔化学奖。尤里和史丹利·米勒于1953年完成了生命起源的经典实验米勒-尤里实验。

1941年12月,玛丽亚要去一所女子大学莎拉·劳伦斯学院面试一个兼职工作。面试官问:学科学与学烧炉子一样重要吗?玛丽亚没想到会有人问这样一个问题,反问道:学生学会读书认字就是为读菜谱吗?

玛丽亚通过了面试,接受了科学综合课的教学工作,这是一门将物理、化学、天文等融为一体的课程。虽然课堂的理念比较先进,教学的水平很高超,课堂状况却比较拉垮,女生们一边织毛衣一边听课。这竟然是她平生第一个有正式薪水的工作。

很快,玛丽亚又获得一个兼职工作。尤里负责曼哈顿计划的一个子项目,邀请她参加。在尤里领导的项目里,玛丽亚充分展示了自己的才华,令同事们衷心的佩服,在学术界建立起了声望。

日本战败投降后,参与曼哈顿计划的物理学家们纷纷离开军事项目的研究,又回到学术研究的轨道上。大批物理学家加盟芝加哥大学,组建了一个研究原子核的跨学科研究所。

1946年,迈耶夫妇也来到芝加哥大学。

芝加哥大学,位于美国伊利诺伊州芝加哥的世界顶级私立研究型大学

大显身手核结构

在芝加哥大学,玛丽亚的身份是“志愿副教授(voluntary associate professor)”,不久提升为“志愿教授(voluntary professor)”,依然是没有薪水的工作。不过,这次不一样了,玛丽亚对此毫不在意,因为她在这里不仅没人歧视她,每个人都仰慕她,每个人都了解她的水平。

玛丽亚也成为系委员会成员,参与教职招聘、招生、学生培养等重要事务。芝加哥大学研究生考试的高难度闻名全美,这个基调就有玛丽亚的功劳,她曾说,“这里只对未来的海森堡感兴趣!”她参与后的第一届考试的学生中,出了4个诺贝尔奖得主,13位美国科学院院士。

芝加哥大学原子核研究所每周都有学术报告会,报告会只有一个规则,“不要打断别人的打断”,颇有哥廷根遗风。玛丽亚知道她来对了地方。

玛丽亚在讲台上更加富有激情,再加上学生素质也高,讲起课来更放飞自我。玛丽亚是重度烟民,她一手拿香烟,一手拿粉笔,一边喷云吐雾,一边阐述深邃的物理,讲至忘情处,粉笔当烟叼嘴里,香烟当粉笔烫黑板。同时期的大洋彼岸,有一首民歌广为流传,“解放区的天是晴朗的天”,或许最能体现玛丽亚当时的心情。

这时,她又遇到新的工作机会。她当年在霍普金斯的一个学生现在成了阿贡国家实验室理论部主任,邀请她来做全职教授。玛丽亚舍不得芝加哥大学的工作,尽管是个不发工资的工作,她只同意在阿贡做兼职教授。阿贡国家实验室同意了,并奉上不菲的薪水。

玛丽亚·迈耶与阿贡国家实验室的同事们

玛丽亚在阿贡国家实验室研究的重要课题方向是元素起源的宇宙学模型。玛丽亚整理有关数据时,注意到高丰度同位素的核子数有规律性,核子数为2、8、20、28、50、82、126的原子核特别稳定,这些数字被称为幻数(magic number)。玛丽亚判断,幻数是破解原子核结构的重要线索。其他人也发现了这个规律,但没想到这会与原子核结构有关系。

玛丽亚继续搜集原子核的相关实验数据,数据越多,越显示出原子核具有与原子类似的对称性。玛丽亚类比原子的电子壳层结构,提出原子核也具有壳层结构。惰性气体原子特别稳定,很难与其他原子发生反应,她认为这是因为电子把各壳层都填满了,很难再得到或失去电子。

与原子中的电子类似,原子核里从量子力学解出各能级,叫作壳层;质子和中子填在各壳层内,有些同位素各壳层都填满了,类似惰性气体原子,这便是稳定的同位素。事实上,这种观念并不是全新的,以前就有人提出过,但最终放弃,因为物理上讲不通。

电子形成壳层结构靠的是长程静电作用力,而核子之间的作用力是短程力。玛丽亚要给出量子力学解释。

玛丽亚白天工作一天,晚上回家,不仅不觉得累,还很兴奋。她不再问孩子一天的生活和学习,而是点上烟,滔滔不绝地与乔谈这一天的新思考,乔也给出自己的想法。乔虽然是化学家,但玛丽亚的问题与化学中的价电子颇有类似之处,经常能给出富有启发性的意见。

在芝加哥大学,只有一位物理学家支持她的想法,他就是费米。玛丽亚便经常与费米进行讨论。

有一天,费米和玛丽亚在办公室又在讨论原子核的壳层结构问题。这时,有人过来叫费米去接电话。费米起身,走到门口,回身问道:“你有没有考虑自旋-轨道耦合?”然后匆匆去接电话了。十分钟后,费米接完电话回来,发现玛丽亚像着了魔一样,哇哇地像连珠炮说个不停,声音尖锐地让费米脑仁疼。费米说,“明天,你心情平静了,再解释给我听吧。”然后,微笑着离开了办公室。

费米一句话让玛丽亚把自己所有思考练成一个整体——问题解决了。

玛丽亚的理论里,原子核就像一个舞池,质子和中子是舞者,两两一组跳华尔兹,舞者自身在旋转,一对舞者共同在舞池内绕舞池中心转大圈。舞池内会有多层大圈,这就是壳层。

原子核壳层模型

恩里科·费米与玛丽亚·迈耶

玛丽亚的模型成功计算出了所有幻数。下一步就是写论文了,这时,玛丽亚又犯了拖延症,就像她当年拖延学位论文一样。

很快,有消息传来,德国三位物理学家想出了类似的理论。玛丽亚依然不着急。乔对这个行为觉得不可理喻,连玛丽亚在阿贡国家实验室的同事也觉得无法理解。这就是玛丽亚,谦逊、厌恶竞争,从不认为打败别人有什么价值。

玛丽亚能忍,乔忍不了了。一天,乔把笔塞到玛丽亚手里,命令她,写!玛丽亚写完之后,让费米一起署名,她知道,如果没有费米的点拨,就没有这篇论文。费米却拒绝了,说:“这是你的理论,我就不署名了。”玛丽亚知道,这是费米在提携自己,如果论文上有费米的大名,自己的贡献就会被低估。

德国海德堡大学延森纪念碑。约翰内斯·汉斯·丹尼尔·延森(Johannes Hans Daniel Jensen,1907年6月25日-1973年2月11日),德国物理学家,因原子核壳层理论而获得1963年的诺贝尔物理学奖。

最终,德国科学家延森等人的工作先发表,与玛丽亚的工作几乎完全一样。玛丽亚最初还是略微感到失望,很快就转念一想,两个人独自得到一样的理论,说明这个理论更可能是正确的,更容易能说服别人接受这个理论。想到此,她就释然了。

玛丽亚和延森没有去争优先权,反而惺惺相惜。延森给玛丽亚的信中说:“你说服了费米,我说服了海森堡。夫复何求?”玛丽亚和延森后来成为亲密的朋友和合作者,甚至传出桃色绯闻。可见,当年的万人迷依然魅力不减。

1955年,二人共同署名的《原子核壳层结构基本理论》(Elementary Theory of Nuclear Shell Structure)出版,牢固树立了二人是核壳层结构理论创建者的地位,这对延森的两位合作者有失公允。

1954年,芝加哥大学原子核研究所的灵魂人物费米去世,研究所随之分崩离析,科学家们相继离开了芝加哥大学。1959年,加州大学圣迭戈分校向迈耶夫妇发出聘任邀约。芝加哥大学知道后,立即做出决定,聘任玛丽亚为正式教授,但被婉拒。迈耶夫妇决定到加州大学圣迭戈分校任职,1960年玛丽亚终于成为拿全薪的正式教授,这一天距离她博士毕业已经30年了!

玛丽亚来到加州大学圣迭戈分校没多久得了中风,左臂瘫痪了,此后,她的健康再没有恢复。不过,她并没有因此中断心爱的教学和科研事业。

1963年,玛丽亚与延森和她在哥廷根的老师维格纳共同获得诺贝尔物理奖,成为继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理奖的女性。

1963年诺贝尔奖颁奖典礼上,玛丽亚·迈耶与瑞典国王

1966年,玛丽亚发表了平生最后一篇论文。1972年2月20日,玛丽亚·格佩特-迈耶因心脏病去世,享年66岁。

结语

玛丽亚·格佩特-迈耶生在学术世家,长在科学圣地,由于时代的原因,她却30年不能在学术机构有个正式的职位,令人唏嘘。

玛丽亚曾经说,女性想做科学家,必须嫁一个科学家丈夫。而乔追求玛丽亚的时候,说支持她成为科学家,他做到了。玛丽亚的军功章有乔的一半。

玛丽亚职业生涯中,受到种种歧视和阻碍,也得到正直的科学家,如尤里、费米等顶尖学者的鼎力支持。但是,女性科学之路要畅通无阻,不能只指望好人出手相助,更重要的是社会制度的改革和文化氛围的建设。研究早已表明,在自然科学中获得成功,和性别根本没什么关系,性别差距完全在于文化。全社会应对科学职业的性别差异有更科学的认识,塑造更科学的社会文化,以利于更多女性走上科学之路。

继玛丽亚·迈耶之后,2018年和2020年才迎来第三(唐娜·斯特里克兰)和第四位(安德烈娅·盖兹)诺贝尔物理奖女性得主,期待未来有更多杰出女科学家涌现。

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