雷晓晨自她之后，再无女性拿过诺贝尔物理学奖章——曾经得不到正职和薪水的“洋葱女神”传奇-科研圈

雷晓晨
女科学家获得诺贝尔物理奖已是 50 多年前的事了。让我们来回顾一下 1963 年获得者，玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert Mayer）的一生的传奇。
作者 Elizabeth Landau
翻译 阿金
审校 葛鹏

玛丽亚·格佩特-梅耶博士，图片来源：United States Department of Energy
在玛丽亚·格佩特-梅耶发现原子核如洋葱般的壳层结构之后，物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）就称呼她为“洋葱女神”。她也是最后一位获得诺贝尔物理学奖的女科学家，于 1963 年获此殊荣。
自此之后，许多卓越的女性科学家也得到了广泛的关注：2016 年逝世的薇拉·鲁宾（Vera Rubin），曾被视作发现暗物质存在的强劲候选人；乔丝琳·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）在脉冲星的发现过程中发挥了关键作用，但是由于她的研究生男导师从中作梗，无缘 1974 年的诺贝尔奖。2014 年，Slate 杂志公布了一份女性竞争候选人的长名单。但是回顾历史，女性科学家中只有梅耶和居里夫人获得了这个最高荣誉。
我决定深入探究梅耶的生活与工作，因为她远非一个家喻户晓的人物。我驱车前往阳光灿烂的加州大学圣地亚哥分校，梅耶在这里工作了 12 年，直到 1972 年逝世。坐在大学中充满未来风格的 Geisel 图书馆内，我翻阅那些记载梅耶生平的文件，文件数量成百上千，被保存在特别收藏区，包括手写的私信、打印的信件、笔记本、明信片、邀请函、证书、照片、新闻剪报，甚至西联发给梅耶的诺贝尔获奖通知电报。它们揭示了科学家成就辉煌的一生与挫折艰辛，其中还充满了伴随始终的科学伙伴，以及伟大的发现。
家族事业
梅耶出生在德国小镇卡托维兹（Kattowitz），如今属于波兰领土。作为家中的独生女，她来自书香门第，成为了家族中第七代大学教授。1930 年她在德国哥廷根大学（Universityof G?ttingen）取得了博士学位，师从马克斯·玻恩（Max Born），他随后也获得了诺贝尔物理学奖。在档案箱里，有许多玻恩亲手写给梅耶的信件，时间横跨数十年。

玛丽亚·格佩特-梅耶，最后一名赢得诺贝尔物理学奖的女性科学家，照片拍摄于1963年。图片来源：Special Collections & Archives,University of California, San Diego
毕业之后，梅耶跟随自己的丈夫，化学家乔瑟夫·梅耶（Joseph Mayer），移居到美国。她的丈夫先后任职于约翰·霍普金斯大学（JohnsHopkins University）与哥伦比亚大学（Columbia University），而梅耶也在这两所学校继续研究物理，但均没有获得全额薪水。根据她获奖时写的一份生平简介：“没有一所大学会考虑雇佣一名教授的妻子。”另外一个当年的证据：档案里有一份 1941 年打印的信件，通知梅耶被选为美国物理协会的会员，信的抬头却是：“尊敬的先生”。在第二次世界大战期间，她参与了曼哈顿计划，研究铀同位素分离。
四十年代中期，这对夫妇搬到了芝加哥，梅耶在芝加哥大学得到了一个“志愿”教授的职位，同时在阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）担任兼职的资深物理研究员。在芝加哥大学的这些年间，梅耶的研究课题让她在科学界声名鹊起。获悉这点的时候，我激动地翻阅着她的笔记，这本 1947 年的小小笔记本上记满了备注和方程式，在玛·格-梅耶的名字前面还写了一个巨大的字母 Q，当然，Q 就是量子力学（quantum mechanics）的开头字母。
快步华尔兹
自然界有着大量不同的化学元素，每种原子核都有其特有的中子和质子数量，梅耶注意到这两者之间的关联性，由此开始了她的开拓性研究。在检验元素其他属性的时候，她逐渐清晰地认识到：原子核粒子具有的“幻数”与稳定的原子结构相关 [据称“幻数”这个术语是尤金·维格纳（Eugene Wigner）发明的] 。元素中的质子或者中子数为幻数时，其性质更稳定，因此在自然界中也更常见。
当时的科学家早已知道电子在球形壳中绕着原子核运转，但是梅耶确认原子核本身也具有质子与中子的封闭壳层结构，它们围绕着共有的质心运转。MIT 的科学史学家大卫 · 凯撒（David Kaiser）提到，原子核本身也具有类似的壳层结构的观点在三十年代就已经传开了，但是梅耶成功地用大量新的实验数据支持并改进了此观点。和原子核壳模型同时存在还有其他观点，如原子核就像质子和中子汤，或质子和中子团块。
梅耶认识到当原子的质子壳层被填满时，质子数为“幻数”，当其中子壳层被填满时，中子数也为“幻数”，如果这种两种类型的核壳层同时被填满，比如氧 16 和钙 40，那么称该类原子核为“双幻核”。
但是这些“幻数”从何而来？听从了物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的建议，梅耶研究了“自旋-轨道耦合”理论，即中子和质子在各自壳层内的轨道与这些粒子的自旋相关联。“自旋-轨道耦合”概念在物理学界早已为人所知，但是在这之前从未被用来解决“幻数”的问题。
据 The San Diego Union–Tribune 记载，梅耶用这种方式向她的女儿解释道：“礼堂中所有的夫妇都沿着同一个方向绕圈起舞，这是你的轨道。然后每对夫妇在舞步中旋转，这就是你的自旋。每个跳过快步华尔兹的人都知道，如果所有的人同时往一个方向绕圈跳舞，跳起来就很容易。原子核也是同样的道理：每个粒子都往同一个方向自旋，所有的粒子都沿着同一个轨道旋转。这就叫做自旋-轨道耦合。”
又该如何用它来解释幻数呢？在量子力学中，一个中子或者质子有两种可能的自旋方式：上自旋或者下自旋。原子核中的自旋运动与轨道运动结合，被统称为总角动量。梅耶发现当轨道运动和自旋运动一致时，总角动量会达到最大值，粒子能量就减少。相反的，如果轨道运动和自旋运动相反时，粒子能量就增加。“幻数”对应所有此类能级转变之间的最大能隙，标定出核壳层终结和开始的边界。

这本量子力学笔记本属于梅耶本人，从1947年春天开始使用。她当时在芝加哥大学和阿贡国家实验室工作。图片来源：Special Collections & Archives,University of California, San Diego
另一位梅耶不认识的物理学家汉斯·杨森（Hans Jensen）和他的同事一起，独立地得出了关于原子核结构的相似结论。根据梅耶的学生罗伯特 · 萨克斯（Robert Sachs）写的传记记录，两人因此成为至交，并在1955年联合出版了《原子核壳结构基本理论》一书。八年之后，他们和维格纳一起，共同分享了诺贝尔物理学奖。在梅耶的一封信件中，她称呼杨森为“我的诺贝尔奖兄弟”（My NobelShell Brother）。
1964 年，在一次面对 400 名高中女生的演讲中，梅耶表示对自己开创性观点的研究远比发现自己得奖更有意思。梅耶说到：“某天下午，我找到了线索，在一天的工作之后，我发现，我提出的理论确实可以预测出所有的数据，预测出我想解释的一切。”她把这段话写到了演讲中，印进了宣传册中，留在了档案袋里。她继续说到：“在那种时刻，没人会去想诺贝尔奖。”
但得奖让她备受关注。梅耶告诉 Union–Tribune，在诺贝尔奖宣布之后，她收到了 700 多封来信。她在加州大学圣地亚哥分校的档案中有堆成山的感谢信，并附带着诸如小菊花和红玫瑰这样的礼物。哈佛大学的化学家弗兰克 · 韦斯特海默（Frank Westheimer）和他的妻子简妮（Jeanne）肯定是送了香槟的，因为她写信给他们：“在疲于应付媒体之后，唯有香槟才能真正让我满血复活。”
最终，梅耶获得了加州大学圣地亚哥分校的正教授职位，从 1960 年，也就是她得奖的三年前，正式开始授课。在一份发给加利福尼亚大学董事会的报告上，这是一本背面还敲上了 1968 印章的小册子，对梅耶的评价是“行为正直，作风朴实”，其中还记录了她对种植兰花的热爱，还提到了她和她丈夫刚刚结束他们的第二次环球之旅。
在个人生活方面，她所面对的挑战也若隐若现。在搬到加利福尼亚之后，梅耶得过一次中风，然后不断受健康问题的困扰。但是她仍然在大学授课，继续钻研核壳模型，终其一生，“尽其所能地研究物理”。加州大学圣地亚哥分校的梅耶厅后来用她的名字命名，以此纪念。
核壳模型永存
1964 年，梅耶告诉那些高中女学生，她所认识的那些在婚后继续从事科学事业的女性，都是跟科学家结婚的，但是女性从事科研总体上还是有很好的机会的，并敦促她们好好学习科学知识。“成为一个受过良好教育的女性，力所能及地推动对科学的认知。”她说，“我们的国家需要你们。我这一代人已经做出了我们的贡献，现在轮到你们继续下去了。”根据美国物理研究院统计，获得物理学博士学位的女性人数在过去的 40 年中有所攀升，而近几年，都一直稳中有升。即便如此，在所有拥有物理博士学位的人中，女性只占据了 20%。
然而，建立在梅耶留下的学术成就上的科学研究仍在发展。尽管原子核壳模型已经 50 岁高龄了，物理学家仍旧在挖掘它的秘密。爱荷华州立大学的物理学教授詹姆斯 · 瓦里（James Vary ）表示：“核壳模型的成功鼓舞着我们尝试去了解它形成的起源。”
核壳模型还推进了奇异粒子的前沿研究。在二十一世纪初期，一个由法国领导的科研团队暗示了长期寻找的四中子粒子——即由四个中子组成的粒子系统——存在的可能，2016 年，该小组与日本理化学研究所（RIKEN）的放射性同位素粒子束厂（RIBF）合作，通过实验进一步证实。瓦里还提到，在对现有核壳模型了解的基础上，爱荷华州的物理学家使用计算机模拟，来证实粒子的观测特性。
包括瓦里在内的科学家最近仍在使用该模型，试图揭开一个长久以来悬而未决的谜团：碳 14 是碳元素的一种特殊放射性同位素，用来测定古代物件和骨骸的年代，为什么它的半衰期有将近 6000 年？这种同位素本身的壳层结构不能证明它能存活这么久。但是 2011 年，研究人员展示了一种包括三个原子核粒子的相互作用，类似于三人同时交换飞碟，来解释这个时间长度。“这事非常让人好奇，我觉得这种事在梅耶那个时代甚至都无法想象的。” 瓦里评价道。
此外，核壳模型还对搜寻神秘莫测的“无中微子双 β 衰变”发挥着重要作用，这个科学家寻找了很久的粒子衰变过程有助于解开另一个谜团：中微子到底是不是自身的反粒子。同时，该模型能够提供一些线索，来解释中子是如何被一些奇特的方式捆绑在一起，留存在称为中子星的超密度死星残骸内。
梅耶的发现支撑着科学家探索那些最深奥的问题，比如我们是什么构成的，以及我们从哪里来。让我们牢记她，不仅仅因为她是极少数诺贝尔奖女性科学家得主之一，而且也因她是一位具有开拓精神的思想家，她的理论仍旧占据着在宇宙中探索我们起源的核心地位。
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