自她之後，再無女性拿過諾貝爾物理學獎章——曾經得不到正職和薪水的「洋蔥女神」傳奇

女科學家獲得諾貝爾物理獎已是 50 多年前的事了。讓我們來回顧一下 1963 年獲得者，瑪麗亞·格佩特-梅耶（Maria Goeppert Mayer）的一生的傳奇。

作者 Elizabeth Landau

翻譯 阿金

審校 葛鵬

瑪麗亞·格佩特-梅耶博士，圖片來源：United States Department of Energy

在瑪麗亞·格佩特-梅耶發現原子核如洋蔥般的殼層結構之後，物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）就稱呼她為「洋蔥女神」。她也是最後一位獲得諾貝爾物理學獎的女科學家，於 1963 年獲此殊榮。

自此之後，許多卓越的女性科學家也得到了廣泛的關註：2016 年逝世的薇拉·魯賓（Vera Rubin），曾被視作發現暗物質存在的強勁候選人；喬絲琳·貝爾·伯內爾（Jocelyn Bell Burnell）在脈衝星的發現過程中發揮了關鍵作用，但是由於她的研究生男導師從中作梗，無緣 1974 年的諾貝爾獎。2014 年，Slate 雜誌公布了一份女性競爭候選人的長名單。但是回顧歷史，女性科學家中只有梅耶和居里夫人獲得了這個最高榮譽。

我決定深入探究梅耶的生活與工作，因為她遠非一個家喻戶曉的人物。我驅車前往陽光燦爛的加州大學聖地亞哥分校，梅耶在這裡工作了 12 年，直到 1972 年逝世。坐在大學中充滿未來風格的 Geisel 圖書館內，我翻閱那些記載梅耶生平的文件，文件數量成百上千，被保存在特別收藏區，包括手寫的私信、列印的信件、筆記本、明信片、邀請函、證書、照片、新聞剪報，甚至西聯發給梅耶的諾貝爾獲獎通知電報。它們揭示了科學家成就輝煌的一生與挫折艱辛，其中還充滿了伴隨始終的科學夥伴，以及偉大的發現。

家族事業

梅耶出生在德國小鎮卡托維茲（Kattowitz），如今屬於波蘭領土。作為家中的獨生女，她來自書香門第，成為了家族中第七代大學教授。1930 年她在德國哥廷根大學（Universityof G?ttingen）取得了博士學位，師從馬克斯·玻恩（Max Born），他隨後也獲得了諾貝爾物理學獎。在檔案箱里，有許多玻恩親手寫給梅耶的信件，時間橫跨數十年。

瑪麗亞·格佩特-梅耶，最後一名贏得諾貝爾物理學獎的女性科學家，照片拍攝於1963年。圖片來源：Special Collections & Archives,University of California, San Diego

畢業之後，梅耶跟隨自己的丈夫，化學家喬瑟夫·梅耶（Joseph Mayer），移居到美國。她的丈夫先後任職於約翰·霍普金斯大學（JohnsHopkins University）與哥倫比亞大學（Columbia University），而梅耶也在這兩所學校繼續研究物理，但均沒有獲得全額薪水。根據她獲獎時寫的一份生平簡介：「沒有一所大學會考慮僱傭一名教授的妻子。」另外一個當年的證據：檔案里有一份 1941 年列印的信件，通知梅耶被選為美國物理協會的會員，信的抬頭卻是：「尊敬的先生」。在第二次世界大戰期間，她參與了曼哈頓計劃，研究鈾同位素分離。

四十年代中期，這對夫婦搬到了芝加哥，梅耶在芝加哥大學得到了一個「志願」教授的職位，同時在阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）擔任兼職的資深物理研究員。在芝加哥大學的這些年間，梅耶的研究課題讓她在科學界聲名鵲起。獲悉這點的時候，我激動地翻閱著她的筆記，這本 1947 年的小小筆記本上記滿了備註和方程式，在瑪·格-梅耶的名字前面還寫了一個巨大的字母 Q，當然，Q 就是量子力學（quantum mechanics）的開頭字母。

快步華爾茲

自然界有著大量不同的化學元素，每種原子核都有其特有的中子和質子數量，梅耶注意到這兩者之間的關聯性，由此開始了她的開拓性研究。在檢驗元素其他屬性的時候，她逐漸清晰地認識到：原子核粒子具有的「幻數」與穩定的原子結構相關 [據稱「幻數」這個術語是尤金·維格納（Eugene Wigner）發明的] 。元素中的質子或者中子數為幻數時，其性質更穩定，因此在自然界中也更常見。

當時的科學家早已知道電子在球形殼中繞著原子核運轉，但是梅耶確認原子核本身也具有質子與中子的封閉殼層結構，它們圍繞著共有的質心運轉。MIT 的科學史學家大衛 · 凱撒（David Kaiser）提到，原子核本身也具有類似的殼層結構的觀點在三十年代就已經傳開了，但是梅耶成功地用大量新的實驗數據支持並改進了此觀點。和原子核殼模型同時存在還有其他觀點，如原子核就像質子和中子湯，或質子和中子團塊。

梅耶認識到當原子的質子殼層被填滿時，質子數為「幻數」，當其中子殼層被填滿時，中子數也為「幻數」，如果這種兩種類型的核殼層同時被填滿，比如氧 16 和鈣 40，那麼稱該類原子核為「雙幻核」。

但是這些「幻數」從何而來？聽從了物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）的建議，梅耶研究了「自旋-軌道耦合」理論，即中子和質子在各自殼層內的軌道與這些粒子的自旋相關聯。「自旋-軌道耦合」概念在物理學界早已為人所知，但是在這之前從未被用來解決「幻數」的問題。

據 The San Diego Union–Tribune 記載，梅耶用這種方式向她的女兒解釋道：「禮堂中所有的夫婦都沿著同一個方向繞圈起舞，這是你的軌道。然後每對夫婦在舞步中旋轉，這就是你的自旋。每個跳過快步華爾茲的人都知道，如果所有的人同時往一個方向繞圈跳舞，跳起來就很容易。原子核也是同樣的道理：每個粒子都往同一個方向自旋，所有的粒子都沿著同一個軌道旋轉。這就叫做自旋-軌道耦合。」

又該如何用它來解釋幻數呢？在量子力學中，一個中子或者質子有兩種可能的自旋方式：上自旋或者下自旋。原子核中的自旋運動與軌道運動結合，被統稱為總角動量。梅耶發現當軌道運動和自旋運動一致時，總角動量會達到最大值，粒子能量就減少。相反的，如果軌道運動和自旋運動相反時，粒子能量就增加。「幻數」對應所有此類能級轉變之間的最大能隙，標定出核殼層終結和開始的邊界。

這本量子力學筆記本屬於梅耶本人，從1947年春天開始使用。她當時在芝加哥大學和阿貢國家實驗室工作。圖片來源：Special Collections & Archives,University of California, San Diego

另一位梅耶不認識的物理學家漢斯·楊森（Hans Jensen）和他的同事一起，獨立地得出了關於原子核結構的相似結論。根據梅耶的學生羅伯特 · 薩克斯（Robert Sachs）寫的傳記記錄，兩人因此成為至交，並在1955年聯合出版了《原子核殼結構基本理論》一書。八年之後，他們和維格納一起，共同分享了諾貝爾物理學獎。在梅耶的一封信件中，她稱呼楊森為「我的諾貝爾獎兄弟」（My NobelShell Brother）。

1964 年，在一次面對 400 名高中女生的演講中，梅耶表示對自己開創性觀點的研究遠比發現自己得獎更有意思。梅耶說到：「某天下午，我找到了線索，在一天的工作之後，我發現，我提出的理論確實可以預測出所有的數據，預測出我想解釋的一切。」她把這段話寫到了演講中，印進了宣傳冊中，留在了檔案袋裡。她繼續說到：「在那種時刻，沒人會去想諾貝爾獎。」

但得獎讓她備受關注。梅耶告訴 Union–Tribune，在諾貝爾獎宣布之後，她收到了 700 多封來信。她在加州大學聖地亞哥分校的檔案中有堆成山的感謝信，並附帶著諸如小菊花和紅玫瑰這樣的禮物。哈佛大學的化學家弗蘭克 · 韋斯特海默（Frank Westheimer）和他的妻子簡妮（Jeanne）肯定是送了香檳的，因為她寫信給他們：「在疲於應付媒體之後，唯有香檳才能真正讓我滿血復活。」

最終，梅耶獲得了加州大學聖地亞哥分校的正教授職位，從 1960 年，也就是她得獎的三年前，正式開始授課。在一份發給加利福尼亞大學董事會的報告上，這是一本背面還敲上了 1968 印章的小冊子，對梅耶的評價是「行為正直，作風樸實」，其中還記錄了她對種植蘭花的熱愛，還提到了她和她丈夫剛剛結束他們的第二次環球之旅。

在個人生活方面，她所面對的挑戰也若隱若現。在搬到加利福尼亞之後，梅耶得過一次中風，然後不斷受健康問題的困擾。但是她仍然在大學授課，繼續鑽研核殼模型，終其一生，「盡其所能地研究物理」。加州大學聖地亞哥分校的梅耶廳後來用她的名字命名，以此紀念。

核殼模型永存

1964 年，梅耶告訴那些高中女學生，她所認識的那些在婚後繼續從事科學事業的女性，都是跟科學家結婚的，但是女性從事科研總體上還是有很好的機會的，並敦促她們好好學習科學知識。「成為一個受過良好教育的女性，力所能及地推動對科學的認知。」她說，「我們的國家需要你們。我這一代人已經做出了我們的貢獻，現在輪到你們繼續下去了。」根據美國物理研究院統計，獲得物理學博士學位的女性人數在過去的 40 年中有所攀升，而近幾年，都一直穩中有升。即便如此，在所有擁有物理博士學位的人中，女性只佔據了 20%。

然而，建立在梅耶留下的學術成就上的科學研究仍在發展。儘管原子核殼模型已經 50 歲高齡了，物理學家仍舊在挖掘它的秘密。愛荷華州立大學的物理學教授詹姆斯 · 瓦里（James Vary ）表示：「核殼模型的成功鼓舞著我們嘗試去了解它形成的起源。」

核殼模型還推進了奇異粒子的前沿研究。在二十一世紀初期，一個由法國領導的科研團隊暗示了長期尋找的四中子粒子——即由四個中子組成的粒子系統——存在的可能，2016 年，該小組與日本理化學研究所（RIKEN）的放射性同位素粒子束廠（RIBF）合作，通過實驗進一步證實。瓦里還提到，在對現有核殼模型了解的基礎上，愛荷華州的物理學家使用計算機模擬，來證實粒子的觀測特性。

包括瓦里在內的科學家最近仍在使用該模型，試圖揭開一個長久以來懸而未決的謎團：碳 14 是碳元素的一種特殊放射性同位素，用來測定古代物件和骨骸的年代，為什麼它的半衰期有將近 6000 年？這種同位素本身的殼層結構不能證明它能存活這麼久。但是 2011 年，研究人員展示了一種包括三個原子核粒子的相互作用，類似於三人同時交換飛碟，來解釋這個時間長度。「這事非常讓人好奇，我覺得這種事在梅耶那個時代甚至都無法想像的。」 瓦里評價道。

此外，核殼模型還對搜尋神秘莫測的「無中微子雙 β 衰變」發揮著重要作用，這個科學家尋找了很久的粒子衰變過程有助於解開另一個謎團：中微子到底是不是自身的反粒子。同時，該模型能夠提供一些線索，來解釋中子是如何被一些奇特的方式捆綁在一起，留存在稱為中子星的超密度死星殘骸內。

梅耶的發現支撐著科學家探索那些最深奧的問題，比如我們是什麼構成的，以及我們從哪裡來。讓我們牢記她，不僅僅因為她是極少數諾貝爾獎女性科學家得主之一，而且也因她是一位具有開拓精神的思想家，她的理論仍舊佔據著在宇宙中探索我們起源的核心地位。

https://www.scientificamerican.com/article/the-last-woman-to-win-a-physics-nobel1/

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