物理群星
玛丽亚·格佩特-梅耶 肖像

图:美国能源部(公有领域)

玛丽亚·格佩特-梅耶

Maria Goeppert Mayer

1906–1972 · 生于德国卡托维兹 · 德国 → 美国

原子与核物理量子力学

无薪做了近三十年研究,然后解开了原子核的幻数

诺贝尔物理学奖 1963 关于原子核壳层结构的发现

「我曾经想,或许我可以做一点数学。」

—— 回忆自己在无薪岁月里为何坚持研究,据同事转述

元素周期表之所以长成那个样子,是因为电子按壳层填充:填满一层的元素——氦、氖、氩——格外稳定,不与别的东西反应。

原子核里也有类似的现象。质子数或中子数等于 2、8、20、28、50、82、126 的核异常稳定,丰度高、结合能大、不容易被打碎。这些数字被称作幻数,因为没人知道它们为什么是这几个。

前三个用最简单的壳层模型能算出来。后面四个,二十年里没有一个模型对得上。

七代教授的女儿

格佩特-梅耶生在卡托维兹,父亲是儿科教授,这个家族连续七代出大学教授。她 1924 年进哥廷根,本打算读数学,跟希尔伯特上过课——但那几年哥廷根正是量子力学的风暴中心,她被卷了进去。

1930 年她在玻恩指导下拿到博士学位。论文题目是双光子吸收:一个原子同时吞下两个光子跃迁到激发态。这在当时纯属理论推演,因为需要的光强根本达不到。三十年后激光问世,这个效应被证实,如今双光子显微镜是神经科学看活体脑组织的标准工具,而它的截面单位就叫 GM——格佩特-梅耶。

二十九年没有工资

同年她与化学家约瑟夫·梅耶结婚,移居美国。

麻烦从这里开始。约翰·霍普金斯大学有「反裙带条款」:不得同时雇用夫妻二人。这类规定在当时的美国大学几乎是通例,实际效果是把有学术能力的妻子挡在门外。她被允许使用实验室、参加讨论班、指导学生、发表论文,但没有职位,没有工资。

哥伦比亚同样如此。芝加哥大学 1946 年给了她「无薪教授」的头衔——阿贡国家实验室倒是给薪水,于是她一半时间在那里。

从 1930 年到 1959 年,她做了近三十年研究,绝大部分时间没有报酬。

费米的一句话

1948 年她在阿贡整理核数据,越看越确信幻数是真的,不是巧合。她发表了一篇文章把证据摆出来,但解释不了后面四个数字。

某天费米走进她的办公室,两人讨论到一半,费米被电话叫走。临出门他回头问了一句:有没有自旋-轨道耦合的迹象?

她后来说,答案在他离开后大约十分钟就出来了。

在核子的势能里加一项「轨道角动量点乘自旋」,让核子自旋与轨道方向相同或相反时能量不同——加进去之后,能级重新排列,7 个幻数一次全部对上。不是凑出来的,是自然掉出来的。

同一时期,延森、哈克塞尔与祖斯在德国独立得到了同样的结论。她与延森后来合写了一本书,并在 1963 年与维格纳共享诺贝尔奖。

「圣迭戈的母亲获得诺贝尔奖」

1960 年,五十四岁的格佩特-梅耶终于拿到人生第一个有薪的正教授职位,在新成立的加州大学圣迭戈分校。丈夫同时受聘——这一次没有反裙带条款。

1963 年获奖时,当地报纸的标题是「S.D. Mother Wins Nobel Prize」。她是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女性,中间隔了六十年。

这个奖来得不算晚——她 1949 年的工作,十四年后获奖,在物理学里算快的。真正晚的是那份工资:从她拿到博士学位算起,隔了整整三十年。

代表方程

幻数

2, 8, 20, 28, 50, 82, 1262,\ 8,\ 20,\ 28,\ 50,\ 82,\ 126

质子数或中子数恰好是这几个数字的原子核异常稳定,就像惰性气体的电子壳层填满一样。前三个用简单壳层模型就能解释,后面四个二十年没人算得出来。

自旋-轨道耦合

V(r)=V0(r)+Vls ℓ⋅sV(r) = V_0(r) + V_{ls}\,\boldsymbol{\ell}\cdot\mathbf{s}

在核子的势能里加上一项「轨道角动量点乘自旋」,能级立刻重排,七个幻数一次全对上。费米随口一问,她十分钟后想通了这一步。

伟大发现