破解原子核結構的“洋葱聖母”——瑪麗亞·格佩特-邁耶_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-02-21 13:30
撰文 | 瞿立建
洋葱聖母的故事像洋葱一樣令人流淚。
2022年2月20日是她去世50週年的忌日，特發此文，以紀念之。
自由成長在哥廷根
邁耶出嫁之前叫瑪麗亞·格佩特，於1906年6月28日生於德國西里西亞省的卡托維茲（現屬於波蘭）。瑪麗亞的家庭是學術世家，到他的父親，連續六代都是大學教授。
瑪麗亞的父親弗里德里希·格佩特（Friedrich Göppert）是兒科醫生，1910年，瑪麗亞四歲的時候，他獲得了哥廷根大學副教授的職位，帶領一家人搬到哥廷根——德國著名的大學城。
弗里德里希很注意培養自己的獨生女的科學興趣。瑪麗亞3歲半的時候，父親給她解釋為什麼會有月圓月缺的現象。瑪麗亞7歲的時候，父親給她製作觀察日食的透鏡，並耐心和細緻地講解日食的原理。他還帶女兒去採石場挖化石，到森林裏認識植物。
弗里德里希是個非典型德國爸爸，那個年代的德國爸爸往往與子女刻意保持距離。而弗里德里希希望培養一個行為大膽、熱愛學習、敢於冒險的孩子。他甚至認為孩子的媽媽柔弱的性格會耽誤孩子。瑪麗亞8歲的時候經常爬樹，這時候弗里德里希總是把孩子的媽媽支走，怕媽媽妨礙女兒釋放天性。
瑪麗亞小時候就患有頭疼的毛病，這個毛病伴隨了她一生。弗里德里希作為兒科名醫生也看不好自己女兒的病。他激勵女兒，“我已經盡力治你的病了，嘗試了所有的選擇，但都失敗了，現在已經沒有了選擇。但是，你還有兩個選擇，一是，做這個病的手下敗將，給自己貼上病號的標籤；二是，堅強起來，無視疾病，正常生活。”瑪麗亞堅定地選擇了後者。
那時很多德國的女孩僅僅學些針線活，等長大了嫁人。弗里德里希對他的女兒有很高的期待，勉勵他的女兒，“不要僅僅做個女人”，意思是不要做家庭主婦。瑪麗亞向父親保證：“不會僅僅做個女人。”
瑪麗亞立志做家族第七代教授。
瑪麗亞除了受他父親影響之外，還結識了很多哥廷根大學名震天下學術大咖。當時的哥廷根大學是世界數學和物理的聖地。
數學家希爾伯特與瑪麗亞家是鄰居。希爾伯特的花園豎着長長的黑板，用於室外研討，瑪麗亞曾逃課來聽，並聽得津津有味，興趣盎然。每週六上午，希爾伯特站在黑板前做面向公眾的科普演講，瑪麗亞不僅是來聽講的常客，還曾被希爾伯特邀為特約嘉賓。
瑪麗亞一家與玻恩（Max Born）一家是莫逆之交，瑪麗亞經常去玻恩家串門。玻恩視瑪麗亞為自己的女兒。而另一位諾貝爾物理獎得主物理學家弗蘭克（James Franck）將瑪麗亞視作侄女。
1924年，瑪麗亞考入哥廷根大學，開始走向學術之路。
大學時光
讀什麼專業？瑪麗亞最開始的想法是女承父業，學醫。她的父親跟她分析，説她的個性不適合學醫。瑪麗亞的父親真是稱職的父親，為她營造了很好的成長環境，在她人生關鍵節點能給出中肯的建議。
瑪麗亞決定學數學。她自己對數學感興趣，哥廷根又是數學的聖地。瑪麗亞選了玻恩所教的所有課程，以卓越的課堂表現打動了玻恩。玻恩邀請她參加自己的研討班。很快，瑪麗亞就成為玻恩最喜歡的學生。然後，就有流言，這對師生有私情。智商濃度如此高的哥廷根，八卦起來也沒啥底線。
瑪麗亞對物理的興趣與日俱增，在1927年轉學物理學。瑪麗亞這麼認識數學和物理學：“數學很大程度上是解題……物理學也需要解題，但物理學裏的題目來自自然，而不是人的頭腦。”
更重要的是，瑪麗亞對新生的量子力學特別感興趣。瑪麗亞不光是在紙面上學習量子力學，而是在現場“參與”量子力學的構建。因為那時的哥廷根正是量子力學主要進展的策源地。
在哥廷根，玻恩和弗蘭克聯合舉辦量子力學研討會，參會者可以隨時打斷演講者，表達自己的看法或提出問題，甚至刻薄的批評。瑪麗亞和同學們甚至能在課堂上聽海森堡講昨天晚上剛剛得到的想法。
瑪麗亞的同學中走出多個科學俊傑，著名的有理論物理學家維克托·魏斯科普夫（Victor Frederick Weisskopf，1908－2002）；分子生物學家、1969年諾貝爾生理學或醫學獎得主馬克斯德爾布呂克（Max Ludwig Henning Delbrück，190－1981分子生物學家）等。
青年男女在一起，很快萌發了愛情。魏斯科普夫愛上了瑪麗亞。不過，能獲得瑪麗亞的芳心可不容易。瑪麗亞在哥廷根是萬人迷，求交往的小夥子排成排串對串。這也不奇怪，畢竟當時的哥廷根大學男女生比例是9比1。來哥廷根遊學的密立根（Robert Millikan）見到瑪麗亞，就感慨“恨不相逢未娶時”。
最後贏得美人芳心的是美國來的小夥子約瑟夫·邁耶（Joseph Mayer），人們叫他喬（Joe）。喬是加州大學伯克利分校畢業的博士，專業是化學，1928年來哥廷根大學跟隨弗蘭克做博士後，學習量子力學。他是瑪麗亞家的房客。
喬能説會道、顏值過人，還很有錢，妥妥的高富帥。在哥廷根，趁輛自行車就能叫“土豪”，而喬直接買了輛“敞篷跑車”，拉風無比，一舉成為哥廷根最靚的仔。
情場失意的那些人又傳出蜚語，説瑪麗亞看上的是喬的車。其實，喬的最大優勢是，像瑪麗亞的父親一樣，熱情支持瑪麗亞做學術當教授。
做教授有什麼不好？其他小夥子為什麼不大支持？除了社會偏見之外，還有很現實的問題。當時的大學幾乎不向女性開放職位，比如當時的哥廷根大學的數學和物理的女教授就只有一位（艾米·諾特）。即便成為女教授，也沒有工資，教學生、做科研，純粹用愛發電。
1929年，喬和瑪麗亞兩個年輕人陷入熱戀。喬開車帶着瑪麗亞遊覽荷蘭，到愛因斯坦的朋友，也是哥廷根最好的教師之一的保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）家中做客。瑪麗亞滔滔不絕地講自己的學位論文。埃倫費斯特突然打斷她説，“你説得真好，寫了嗎？”瑪麗亞回答説，“還沒有。”埃倫費斯特説，“那還不快去寫，你就住在客房，把提綱完成，完不成不要出來。”
瑪麗亞進入埃倫費斯特的客房，一下子驚呆了，一面牆全是偵探小説，另一面牆全是著名科學家的傳記，還有一面牆是曾經在這裏住過的人的簽名。瑪麗亞很快完成了論文提綱，把論文的核心問題梳理清楚，在牆上籤了自己的名字。
瑪麗亞和喬回到哥廷根， 1930年1月，兩人舉行了結婚典禮，瑪麗亞從此冠了夫姓。蜜月之後，瑪麗亞專心完成畢業論文。瑪麗亞的博士論文是一項理論工作，預言原子或分子可以同時吸收兩個光子而躍遷到高能級。瑪麗亞的理論到1960年代激光發明之後得到實驗驗證。1930年3月，瑪麗亞通過答辯和最後的考試，獲得博士學位。
瑪麗亞的志向是當大學教授，在德國，成為女教授的希望非常渺茫，而美國的大學似乎對女性更友好一些。瑪麗亞決定隨新婚丈夫去美國。
坎坷學術路
1930年愚人節這天，邁耶夫婦抵達美國。喬·邁耶獲得了約翰斯·霍普金斯大學的教職，但令他們失望的是，瑪麗亞不能獲得教職。這是當時美國大學的風氣，不給教授的夫人和親屬提供付薪職位，所謂的反裙帶主義（Nepotism）；再加上大蕭條，大學能提供的職位就更少了。
霍普金斯給瑪麗亞安排了一個類似研究助理的工作，工資微薄到可以忽略不計。她在物理系有一個辦公的地方，可以使用大學的科研設施，還可以上課。瑪麗亞承擔了繁重的教學任務，教了6門課程。
當時霍普金斯物理系做理論研究的教授寥寥無幾，還是有一位理論家卡爾·赫茨菲爾德（Karl Herzfeld，1892-1978），他做化學物理方面的研究，這也是喬感興趣的研究領域。在兩個人的影響下，瑪麗亞也進入到這一領域。三人合作將量子力學用於化學問題，比如有機化合物的結構，他們關於苯光譜的研究是量子化學領域裏程碑級的成果。
瑪麗亞沒有丟下核物理的研究。她在1935年提出雙β衰變概念，即原子核內的兩個質子同時變換成兩個中子並釋放出兩個正電子，或者兩個中子同時變換成兩個電子，電子和正電子都是β粒子，故稱為雙β衰變。
瑪麗亞成就如此卓著，在霍普金斯的職位卻僅僅是非全職研究助理。喬很心疼妻子，他知道自己的妻子天生就應該做教授的，應該有正經的學術履歷。喬想為妻子出頭，爭取更好的工作待遇和環境。但瑪麗亞阻止了丈夫的行動，表示能有做物理的機會，已經知足了。
瑪麗亞工資最多的一年是200美元，大致相當於現在的4000美元，而在1935年物理系打算取消她的薪資。赫茨菲爾德教授極為憤怒，向校長寫信為她鳴不平，信中列舉瑪麗亞的成就和價值，要求學校給瑪麗亞·邁耶博士加薪到1000美元。赫茨菲爾德的信並沒有給瑪麗亞帶來加薪，好在保住了她當時的酬勞。
1937年，瑪麗亞懷了第二個孩子，她感覺挺着肚子上課不方便，決定不再上課，便與丈夫合寫一部統計力學的教科書。瑪麗亞懷着孩子寫書的時候，他的丈夫喬卻被大學裁員了。大蕭條之下，霍普金斯財務狀況太差了，校長決定把工資高的教授都裁掉。這並沒有給邁耶夫婦帶來困難，因為芝加哥大學和哥倫比亞大學馬上就送來了聘書。喬選擇了哥倫比亞大學。他們的第二個孩子出生後，便動身北上紐約。
在哥倫比亞大學，喬的薪水比在約翰·霍普金斯大學時期翻了一倍，但瑪麗亞的狀況不僅沒改善，反而更加艱難。這不僅因為外部經濟環境，更糟糕的是，哥倫比亞大學有着濃厚的歧視女性的氛圍。哥倫比亞大學大牌教授、核物理學家拉比（Isidor Isaac Rabi）就説，女性的神經結構就天生不適合做科學，她們也可以做出好的科學，但不可能做出偉大的科學。
有人給瑪麗亞在物理系安排了一個辦公室，物理系主任喬治·皮格勒姆知道後，對瑪麗亞説，這裏不歡迎你。瑪麗亞自此怨恨皮革勒姆一輩子。
化學系主任、諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里（Harold Urey，1893-1981）在化學系給瑪麗亞安排了辦公室，還出面幫助她獲得化學講師的職位頭銜。不過，瑪麗亞在化學系也並不順心。她可以參加學術研討會，但不能參加會後的聚餐。漸漸地，瑪麗亞連研討會也不去了。
1941年12月，瑪麗亞要去一所女子大學莎拉·勞倫斯學院面試一個兼職工作。面試官問：學科學與學燒爐子一樣重要嗎？瑪麗亞沒想到會有人問這樣一個問題，反問道：學生學會讀書認字就是為讀菜譜嗎？
瑪麗亞通過了面試，接受了科學綜合課的教學工作，這是一門將物理、化學、天文等融為一體的課程。雖然課堂的理念比較先進，教學的水平很高超，課堂狀況卻比較拉垮，女生們一邊織毛衣一邊聽課。這竟然是她平生第一個有正式薪水的工作。
很快，瑪麗亞又獲得一個兼職工作。尤里負責曼哈頓計劃的一個子項目，邀請她參加。在尤里領導的項目裏，瑪麗亞充分展示了自己的才華，令同事們衷心的佩服，在學術界建立起了聲望。
日本戰敗投降後，參與曼哈頓計劃的物理學家們紛紛離開軍事項目的研究，又回到學術研究的軌道上。大批物理學家加盟芝加哥大學，組建了一個研究原子核的跨學科研究所。
1946年，邁耶夫婦也來到芝加哥大學。
大顯身手核結構
在芝加哥大學，瑪麗亞的身份是“志願副教授（voluntary associate professor）”，不久提升為“志願教授（voluntary professor）”，依然是沒有薪水的工作。不過，這次不一樣了，瑪麗亞對此毫不在意，因為她在這裏不僅沒人歧視她，每個人都仰慕她，每個人都瞭解她的水平。
瑪麗亞也成為系委員會成員，參與教職招聘、招生、學生培養等重要事務。芝加哥大學研究生考試的高難度聞名全美，這個基調就有瑪麗亞的功勞，她曾説，“這裏只對未來的海森堡感興趣！”她參與後的第一屆考試的學生中，出了4個諾貝爾獎得主，13位美國科學院院士。
芝加哥大學原子核研究所每週都有學術報告會，報告會只有一個規則，“不要打斷別人的打斷”，頗有哥廷根遺風。瑪麗亞知道她來對了地方。
瑪麗亞在講台上更加富有激情，再加上學生素質也高，講起課來更放飛自我。瑪麗亞是重度煙民，她一手拿香煙，一手拿粉筆，一邊噴雲吐霧，一邊闡述深邃的物理，講至忘情處，粉筆當煙叼嘴裏，香煙當粉筆燙黑板。同時期的大洋彼岸，有一首民歌廣為流傳，“解放區的天是晴朗的天”，或許最能體現瑪麗亞當時的心情。
這時，她又遇到新的工作機會。她當年在霍普金斯的一個學生現在成了阿貢國家實驗室理論部主任，邀請她來做全職教授。瑪麗亞捨不得芝加哥大學的工作，儘管是個不發工資的工作，她只同意在阿貢做兼職教授。阿貢國家實驗室同意了，並奉上不菲的薪水。
瑪麗亞在阿貢國家實驗室研究的重要課題方向是元素起源的宇宙學模型。瑪麗亞整理有關數據時，注意到高丰度同位素的核子數有規律性，核子數為2、8、20、28、50、82、126的原子核特別穩定，這些數字被稱為幻數（magic number）。瑪麗亞判斷，幻數是破解原子核結構的重要線索。其他人也發現了這個規律，但沒想到這會與原子核結構有關係。
瑪麗亞繼續蒐集原子核的相關實驗數據，數據越多，越顯示出原子核具有與原子類似的對稱性。瑪麗亞類比原子的電子殼層結構，提出原子核也具有殼層結構。惰性氣體原子特別穩定，很難與其他原子發生反應，她認為這是因為電子把各殼層都填滿了，很難再得到或失去電子。
與原子中的電子類似，原子核裏從量子力學解出各能級，叫作殼層；質子和中子填在各殼層內，有些同位素各殼層都填滿了，類似惰性氣體原子，這便是穩定的同位素。事實上，這種觀念並不是全新的，以前就有人提出過，但最終放棄，因為物理上講不通。
電子形成殼層結構靠的是長程靜電作用力，而核子之間的作用力是短程力。瑪麗亞要給出量子力學解釋。
瑪麗亞白天工作一天，晚上回家，不僅不覺得累，還很興奮。她不再問孩子一天的生活和學習，而是點上煙，滔滔不絕地與喬談這一天的新思考，喬也給出自己的想法。喬雖然是化學家，但瑪麗亞的問題與化學中的價電子頗有類似之處，經常能給出富有啓發性的意見。
在芝加哥大學，只有一位物理學家支持她的想法，他就是費米。瑪麗亞便經常與費米進行討論。
有一天，費米和瑪麗亞在辦公室又在討論原子核的殼層結構問題。這時，有人過來叫費米去接電話。費米起身，走到門口，回身問道：“你有沒有考慮自旋-軌道耦合？”然後匆匆去接電話了。十分鐘後，費米接完電話回來，發現瑪麗亞像着了魔一樣，哇哇地像連珠炮説個不停，聲音尖鋭地讓費米腦仁疼。費米説，“明天，你心情平靜了，再解釋給我聽吧。”然後，微笑着離開了辦公室。
費米一句話讓瑪麗亞把自己所有思考練成一個整體——問題解決了。
瑪麗亞的理論裏，原子核就像一個舞池，質子和中子是舞者，兩兩一組跳華爾茲，舞者自身在旋轉，一對舞者共同在舞池內繞舞池中心轉大圈。舞池內會有多層大圈，這就是殼層。
瑪麗亞的模型成功計算出了所有幻數。下一步就是寫論文了，這時，瑪麗亞又犯了拖延症，就像她當年拖延學位論文一樣。
很快，有消息傳來，德國三位物理學家想出了類似的理論。瑪麗亞依然不着急。喬對這個行為覺得不可理喻，連瑪麗亞在阿貢國家實驗室的同事也覺得無法理解。這就是瑪麗亞，謙遜、厭惡競爭，從不認為打敗別人有什麼價值。
瑪麗亞能忍，喬忍不了了。一天，喬把筆塞到瑪麗亞手裏，命令她，寫！瑪麗亞寫完之後，讓費米一起署名，她知道，如果沒有費米的點撥，就沒有這篇論文。費米卻拒絕了，説：“這是你的理論，我就不署名了。”瑪麗亞知道，這是費米在提攜自己，如果論文上有費米的大名，自己的貢獻就會被低估。
最終，德國科學家延森等人的工作先發表，與瑪麗亞的工作幾乎完全一樣。瑪麗亞最初還是略微感到失望，很快就轉念一想，兩個人獨自得到一樣的理論，説明這個理論更可能是正確的，更容易能説服別人接受這個理論。想到此，她就釋然了。
瑪麗亞和延森沒有去爭優先權，反而惺惺相惜。延森給瑪麗亞的信中説：“你説服了費米，我説服了海森堡。夫復何求？”瑪麗亞和延森後來成為親密的朋友和合作者，甚至傳出桃色緋聞。可見，當年的萬人迷依然魅力不減。
1955年，二人共同署名的《原子核殼層結構基本理論》（Elementary Theory of Nuclear Shell Structure）出版，牢固樹立了二人是核殼層結構理論創建者的地位，這對延森的兩位合作者有失公允。
瑪麗亞來到加州大學聖迭戈分校沒多久得了中風，左臂癱瘓了，此後，她的健康再沒有恢復。不過，她並沒有因此中斷心愛的教學和科研事業。
1963年，瑪麗亞與延森和她在哥廷根的老師維格納共同獲得諾貝爾物理獎，成為繼居里夫人之後第二位獲得諾貝爾物理獎的女性。
1966年，瑪麗亞發表了平生最後一篇論文。1972年2月20日，瑪麗亞·格佩特-邁耶因心臟病去世，享年66歲。
結語
瑪麗亞·格佩特-邁耶生在學術世家，長在科學聖地，由於時代的原因，她卻30年不能在學術機構有個正式的職位，令人唏噓。
瑪麗亞曾經説，女性想做科學家，必須嫁一個科學家丈夫。而喬追求瑪麗亞的時候，説支持她成為科學家，他做到了。瑪麗亞的軍功章有喬的一半。
瑪麗亞職業生涯中，受到種種歧視和阻礙，也得到正直的科學家，如尤里、費米等頂尖學者的鼎力支持。但是，女性科學之路要暢通無阻，不能只指望好人出手相助，更重要的是社會制度的改革和文化氛圍的建設。研究早已表明，在自然科學中獲得成功，和性別根本沒什麼關係，性別差距完全在於文化。全社會應對科學職業的性別差異有更科學的認識，塑造更科學的社會文化，以利於更多女性走上科學之路。
繼瑪麗亞·邁耶之後，2018年和2020年才迎來第三（唐娜·斯特里克蘭）和第四位（安德烈婭·蓋茲）諾貝爾物理獎女性得主，期待未來有更多傑出女科學家湧現。
參考資料
[1] Maria Goeppert Mayer: Physicist (Women in Science) by Joseph Ferry
