物理群星
莉泽·迈特纳 肖像

图:佚名,1906 年于维也纳(公有领域)

莉泽·迈特纳

Lise Meitner

1878–1968 · 生于奥地利维也纳 · 奥地利 → 瑞典

原子与核物理

算出「原子核会一分为二」的人,也是诺奖史上最著名的遗漏

「我不会跟炸弹有任何关系。」

—— 约 1943 年拒绝赴洛斯阿拉莫斯参与曼哈顿计划时(英文记述为 "I will have nothing to do with a bomb!",此处为意译)

1944 年的诺贝尔化学奖颁给了奥托·哈恩,表彰他「发现重核的裂变」。而那个真正算出核为什么会裂开、并给这件事取名 fission 的人,当时正流亡在瑞典,名字不在获奖名单上。她叫莉泽·迈特纳。

玻尔兹曼的课堂

1878 年,迈特纳生于维也纳一个犹太律师家庭。当时奥地利的公立教育只让女孩念到十四岁,她靠自学补完中学课程,1901 年考入维也纳大学。真正点燃她的是玻尔兹曼的课。她后来回忆,玻尔兹曼讲课时那种毫不掩饰的热忱与个人色彩,让人相信物理学不只是公式,而是一场追问世界底细的冒险——正是这种感染力,让她决定把一生交给物理。1905 年,她成为维也纳大学第二位物理学女博士。

地下室里的三十年

1907 年她去了柏林,想听普朗克的课。普朗克原本反对女性进入大学,却破例收下了她;五年后更聘她为助教,那是普鲁士第一次由女性担任这一职位。同一年她结识了化学家奥托·哈恩,一段延续三十余年的合作就此开始。

合作的开局并不体面。化学研究所不允许女性进入,她被安排在楼下一间废弃的木工房里工作,走单独的入口,连楼上实验室的正门都不能进。就在这样的条件下,两人一起摸清了一批放射性衰变系列,1918 年共同发现了 91 号元素镤。到 1926 年,她已是德国第一位女性物理学教授。

圣诞节的雪地

1933 年后,奥地利国籍一度让她免于被立即解职。1938 年 3 月德奥合并,护照失效,她成了德国治下的犹太人。七月,在荷兰同行的接应下,她带着一只装了夏装的箱子仓皇越境,最后落脚斯德哥尔摩——五十九岁,无国籍,几乎从零开始。

同年 12 月,哈恩来信告诉她一件他自己都不敢相信的事:用中子轰击铀之后,产物里居然出现了钡——一种比铀轻了近一半的元素。「也许你能给出某种解释?」他在信里说。

圣诞节,迈特纳在瑞典小镇孔艾尔夫与前来探望的外甥奥托·弗里施边散步边讨论。两人干脆在雪地里坐下,用玻尔的液滴模型算起来:如果原子核像一滴带电的液滴,那么足够重的核确实可能被拉长、掐断,裂成两块。他们又用质能方程核对释放的能量,得到约 200 MeV。数字对得上,图像也对得上。回到室内,弗里施借用生物学中细胞分裂(binary fission)的说法,给这个过程造了个词——fission,裂变。

那个空着的名字

1939 年初,姨甥二人在《自然》上发表了理论解释,核裂变从此进入物理学。世界随即以惊人的速度奔向链式反应与核武器。1944 年诺贝尔化学奖只授予哈恩一人,评奖委员会认为这是一项纯粹的化学发现——今天这被公认为诺奖史上最著名的遗漏之一。迈特纳前后被提名近五十次,始终未获奖。

她本人对此的评价始终克制,但对另一件事从不含糊:战时她被邀请赴洛斯阿拉莫斯参与曼哈顿计划,她一口回绝,「我不会跟炸弹有任何关系」。战后她也拒绝了「原子弹之母」这类称号,并公开批评包括哈恩在内的德国同行对纳粹时期的沉默。

迟来的元素

1968 年,迈特纳在英国剑桥逝世,享年 89 岁。墓碑上是弗里施写的一句话:一位从未失去人性的物理学家。 1997 年,109 号元素被正式命名为「鿏」(meitnerium)——整张元素周期表上,直接以一位女科学家命名的元素,只有这一个。而早在柏林岁月里,爱因斯坦就已经用另一种方式说过同样的意思:他喜欢称她为「我们的居里夫人」。

代表方程

裂变的释能

E=Δm c2E = \Delta m\,c^2

铀核裂成两半后,碎片的总质量比原来少了约五分之一个质子那么多。1938 年圣诞,迈特纳在雪地里用这条公式把「少掉的质量」换算成能量,得到约 2 亿电子伏特——比任何化学反应大上千万倍。这就是核能的全部秘密。

一次典型的铀裂变

235U+n→141Ba+92Kr+3n{}^{235}\mathrm{U} + n \rightarrow {}^{141}\mathrm{Ba} + {}^{92}\mathrm{Kr} + 3n

一个中子撞进铀核,铀核裂成钡和氪两块,同时甩出两三个新中子。哈恩在实验室里找到的正是式子右边那个「钡」——化学证据摆在眼前,却要靠迈特纳才说得清它意味着什么。而多出来的那几个中子,正是链式反应的火种。

伟大发现