最後一位獲得諾貝爾物理學獎的女性

物理學家沃爾夫岡·泡利稱她為“洋蔥麥當娜”，因為她發現原子的原子核具有類似洋蔥的分層結構。瑪麗亞·格佩特·梅耶是最後一位獲得諾貝爾物理學獎的女性，她在 1963 年獲得了這一榮譽。

從那以後，許多其他女性也被廣泛認為是有資格的：去年去世的維拉·魯賓被認為是發現暗物質存在的有力候選人。喬斯林·貝爾·伯奈爾在發現脈衝星方面發揮了重要作用，但她的（男性）研究生導師在 1974 年獲得了相關的諾貝爾獎，她卻沒有獲獎。 2014 年，Slate 釋出了更長的女性競爭者名單。但迄今為止，梅耶和瑪麗·居里是僅有的兩位獲得這一特殊著名獎項的女性。這種情況可能會在 10 月 3 日諾貝爾委員會宣佈今年的獲獎者時發生變化——但誰知道呢？

隨著諾貝爾獎公佈日期的再次臨近，我決定更深入地研究梅耶的生活和工作，她遠非家喻戶曉的名字。我開車去了陽光明媚的加州大學聖地亞哥分校，梅耶在 1972 年去世前 12 年裡一直在這裡擔任教授。在大學未來主義的蓋澤爾圖書館，我仔細翻閱了特藏部門儲存的數百份梅耶生前的檔案：手寫信件、打字信函、筆記本頁面、明信片、邀請函、證書、照片、報紙剪報，甚至還有通知梅耶獲得諾貝爾獎的西聯電報。它們揭示了充滿成就和挫折的生活，最終充滿了具有科學頭腦的朋友和偉大的發現。

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家族事業

梅耶出生於德國小鎮卡托維茨，現在是波蘭的卡托維茲。 她是獨生子女，來自一個悠久的學術世家，並將成為她家族中的第七代大學教授。 她於 1930 年在哥廷根大學獲得博士學位，師從後來自己也獲得諾貝爾物理學獎的馬克斯·玻恩。 檔案盒中許多寫給梅耶的手寫信件都來自玻恩，時間跨度長達數十年。

畢業後，梅耶和她的丈夫、化學家約瑟夫·梅耶搬到了美國。 當她的丈夫在約翰霍普金斯大學和後來的哥倫比亞大學工作時，梅耶在這兩所機構從事物理研究，但在兩處都沒有獲得全額工資。 根據她在獲獎時撰寫的簡短傳記，“沒有大學會考慮聘用教授的妻子”。另一個時代的標誌：檔案中有一封 1941 年的打字信，通知梅耶她被選為美國物理學會的會士——信的開頭寫著“尊敬的先生”。二戰期間，她從事曼哈頓計劃的鈾同位素分離工作。

20世紀40年代中期，這對夫婦搬到芝加哥後，梅耶在芝加哥大學擔任“自願”職位，並在阿貢國家實驗室擔任兼職高階物理學家職位。在芝加哥的這些年裡，梅耶探索了她將因此獲得科學聲望的主題。瞭解這一點後，我興奮地翻閱了一本 1947 年的小筆記本的筆記和方程式，筆記本的封面上有一個巨大的字母 Q，上面寫著“M. G. Mayer”——Q 代表量子力學，當然。

快速華爾茲

梅耶的開創性工作始於注意到自然界中不同化學元素的丰度和原子核中中子和質子的特定數量之間的相關性。透過檢查元素的其他性質，她清楚地知道存在與穩定原子結構相關的核粒子“幻數”（據說物理學家尤金·維格納創造了這個術語）。具有“幻數”質子或中子的元素更穩定，因此在自然界中更普遍。

當時科學家們已經知道電子以球形殼層繞原子核執行，但梅耶確定原子核本身具有分層的、閉合的質子和中子殼層，它們繞著一個共同的質心執行。原子核具有某種殼層結構的想法在 20 世紀 30 年代就已經滲透進去了，但梅耶能夠用大量新的實驗資料來支援和改進它，麻省理工學院的科學史家大衛·凱撒說。殼模型也與原子核就像一團質子和中子的湯或斑點的想法背道而馳。

梅耶意識到具有完全充滿質子殼層的原子具有“幻數”質子；具有完全充滿中子殼層的原子具有“幻數”中子，如果兩種型別的殼層都充滿——例如氧 16 和鈣 40 的情況——則原子核是“雙幻數”的。

但是幻數從何而來呢？在物理學家恩里科·費米的建議下，梅耶探索了“自旋軌道耦合”的概念。這意味著中子和質子在其殼層內的軌道與這些粒子的自旋相連。自旋軌道耦合的概念在物理學中早已為人所知，但以前從未應用於原子核中的“幻數”問題。

據《聖地亞哥聯合論壇報》報道，梅耶這樣向她的女兒描述它：“舞池裡的所有情侶都朝一個方向走，那就是你的軌道。然後，每對情侶也在舞步中盤旋，那就是你的自旋。凡是跳過快速華爾茲的人都知道，如果所有情侶都朝一個方向跳舞，那就容易多了。這在原子核中也是一樣的：每個粒子都沿著它們在軌道上行進的方向自旋。這就是自旋軌道耦合。”

這如何解釋幻數呢？在量子力學中，中子或質子有兩種可能的自旋：向上或向下。自旋和軌道運動在原子核內的組合稱為總角動量。梅耶發現，當軌道運動和自旋運動對齊以產生最大總角動量時，粒子的能量會向下移動。相反，當軌道運動和自旋運動彼此相反時，粒子的能量會向上移動。“幻數”對應於所有此類移動能級之間最大的能量間隙，劃定了殼層結束和開始的位置。

另一位梅耶不認識的物理學家漢斯·延森和他的同事們獨立地得出了關於原子核結構的類似結論。根據梅耶的學生羅伯特·薩克斯(pdf)的說法，兩人成為了親密的朋友，並共同出版了 1955 年的著作《核殼結構的初等理論》。八年後，他們與維格納共同獲得了諾貝爾物理學獎。在梅耶的一封存檔信件中，她稱呼延森為“我的諾貝爾殼兄弟”。
梅耶在 1964 年告訴 400 名高中女生，從事她開創性工作的過程比發現自己獲獎更令人興奮。“一個下午，我找到了線索，經過一天的工作，我發現我一直希望能夠解釋的所有資料，確實被我研究出的理論預測到了，”她在其中一個檔案資料夾中列印的一份小冊子裡的演講中寫道。她補充說，“在那樣的時刻，人們不會想到諾貝爾獎。”

不過，這個獎項引起了人們對她的廣泛關注。梅耶告訴《聯合論壇報》，在諾貝爾獎公佈後，她收到了大約 700 封信。她的加州大學聖地亞哥分校檔案館收藏著一堆感謝信，感謝諸如菊花花束和紅玫瑰之類的禮物。哈佛大學的化學家弗蘭克·韋斯特海默和他的妻子珍妮一定送了香檳，因為她寫信給他們說：“香檳實際上是讓人在媒體的猛烈攻擊下生存的唯一途徑。”

梅耶最終獲得了加州大學聖地亞哥分校的正式教授頭銜，並在 1960 年開始在那裡任教，距離她獲得大獎只有三年。一份給加州大學董事會的報告，一本背面有 1968 年印章的小冊子，形容她“舉止直率，不做作”，注意到她對種植蘭花的熱情，並提到她和她的丈夫剛剛完成了他們的第二次環球旅行。

私下裡，挑戰也迫在眉睫。薩克斯寫道，梅耶搬到加利福尼亞州後中風，此後一直存在健康問題。但她仍然在大學任教，研究原子核殼模型，並在餘生中“儘可能地關注物理學”。加州大學聖地亞哥分校的梅耶大廳後來以她的名字命名。

殼模型仍然存在

1964 年，梅耶告訴高中女生，她所認識的婚後繼續從事科學工作的女性，只有嫁給了科學家的女性——但也說，總的來說，女性在科學領域的機會“非常好”，並敦促她們儘可能多地學習科學。“成為受過充分教育的女性，並以任何方式促進對科學的理解，”她說。“我們的國家需要你們的幫助。我這一代人已經盡到了自己的責任。現在輪到你們來承擔重任了。”根據美國物理學會 (pdf)，在過去 40 年左右的時間裡，獲得物理學博士學位的女性人數一直在上升，並且處於歷史最高水平 (pdf)。即便如此，女性仍然只佔物理學博士學位的 20%。

然而，科學的進步仍在繼續，建立在梅耶留下的遺產之上。雖然原子核殼模型現在已經有 50 多年的歷史了，但物理學家仍在挖掘它的奧秘。“我們受到殼模型成功的激勵，試圖瞭解它的起源，”愛荷華州立大學物理學教授詹姆斯·瓦里說。

核殼層模型也為前沿的奇異粒子研究提供了資訊。早在 2000 年代初期，一個由法國領導的研究小組就暗示了長期尋找的四中子的存在，即由四個中子組成的系統，並在 2016 年透過在日本理化學研究所放射性離子束工廠進行的實驗得到了進一步證實。此外，愛荷華州立大學的物理學家使用基於我們目前對殼層模型的理解的模擬來證實了該粒子觀測到的特性，Vary 說。

包括 Vary 在內的科學家最近還使用殼層模型來解決一個長期存在的難題，即為什麼碳 14（一種用於古代物體和骨骼年代測定的特殊放射性碳形式）的半衰期接近 6000 年。 殼層模型本身並不能預測這種同位素會持續這麼久。 但在 2011 年，研究人員發現一種涉及三個核粒子的相互作用，類似於三個人同時交換飛盤，可以解釋其長壽命。“這是一件非常奇怪的事情，我認為在瑪麗亞·格佩特·梅耶的時代，他們可能都無法想象，”Vary 說。

殼層模型在持續尋找難以捉摸的“無中微子雙β衰變”方面也至關重要，這是一種長期尋求的粒子衰變過程，可能有助於解決中微子是否是其自身反粒子的謎團。 該模型可能還掌握著中子如何在死星（稱為中子星）的超密集殘骸內部以奇異方式聚集在一起的線索。

事實證明，梅耶的發現支撐著科學家們關於我們由什麼構成以及我們從哪裡來的最深刻的問題。 讓我們慶祝她不僅作為一位罕見的獲得諾貝爾獎的女性科學家，而且還作為一位開創性的思想家，她的思想仍然是我們探索宇宙起源的核心。