最后一位获得诺贝尔物理学奖的女性

物理学家沃尔夫冈·泡利称她为“洋葱麦当娜”，因为她发现原子的原子核具有类似洋葱的分层结构。玛丽亚·格佩特·梅耶是最后一位获得诺贝尔物理学奖的女性，她在 1963 年获得了这一荣誉。

从那以后，许多其他女性也被广泛认为是有资格的：去年去世的维拉·鲁宾被认为是发现暗物质存在的有力候选人。乔斯林·贝尔·伯奈尔在发现脉冲星方面发挥了重要作用，但她的（男性）研究生导师在 1974 年获得了相关的诺贝尔奖，她却没有获奖。 2014 年，Slate 发布了更长的女性竞争者名单。但迄今为止，梅耶和玛丽·居里是仅有的两位获得这一特殊著名奖项的女性。这种情况可能会在 10 月 3 日诺贝尔委员会宣布今年的获奖者时发生变化——但谁知道呢？

随着诺贝尔奖公布日期的再次临近，我决定更深入地研究梅耶的生活和工作，她远非家喻户晓的名字。我开车去了阳光明媚的加州大学圣地亚哥分校，梅耶在 1972 年去世前 12 年里一直在这里担任教授。在大学未来主义的盖泽尔图书馆，我仔细翻阅了特藏部门保存的数百份梅耶生前的文件：手写信件、打字信函、笔记本页面、明信片、邀请函、证书、照片、报纸剪报，甚至还有通知梅耶获得诺贝尔奖的西联电报。它们揭示了充满成就和挫折的生活，最终充满了具有科学头脑的朋友和伟大的发现。

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家族事业

梅耶出生于德国小镇卡托维茨，现在是波兰的卡托维兹。 她是独生子女，来自一个悠久的学术世家，并将成为她家族中的第七代大学教授。 她于 1930 年在哥廷根大学获得博士学位，师从后来自己也获得诺贝尔物理学奖的马克斯·玻恩。 档案盒中许多写给梅耶的手写信件都来自玻恩，时间跨度长达数十年。

毕业后，梅耶和她的丈夫、化学家约瑟夫·梅耶搬到了美国。 当她的丈夫在约翰霍普金斯大学和后来的哥伦比亚大学工作时，梅耶在这两所机构从事物理研究，但在两处都没有获得全额工资。 根据她在获奖时撰写的简短传记，“没有大学会考虑聘用教授的妻子”。另一个时代的标志：档案中有一封 1941 年的打字信，通知梅耶她被选为美国物理学会的会士——信的开头写着“尊敬的先生”。二战期间，她从事曼哈顿计划的铀同位素分离工作。

20世纪40年代中期，这对夫妇搬到芝加哥后，梅耶在芝加哥大学担任“自愿”职位，并在阿贡国家实验室担任兼职高级物理学家职位。在芝加哥的这些年里，梅耶探索了她将因此获得科学声望的主题。了解这一点后，我兴奋地翻阅了一本 1947 年的小笔记本的笔记和方程式，笔记本的封面上有一个巨大的字母 Q，上面写着“M. G. Mayer”——Q 代表量子力学，当然。

快速华尔兹

梅耶的开创性工作始于注意到自然界中不同化学元素的丰度和原子核中中子和质子的特定数量之间的相关性。通过检查元素的其他性质，她清楚地知道存在与稳定原子结构相关的核粒子“幻数”（据说物理学家尤金·维格纳创造了这个术语）。具有“幻数”质子或中子的元素更稳定，因此在自然界中更普遍。

当时科学家们已经知道电子以球形壳层绕原子核运行，但梅耶确定原子核本身具有分层的、闭合的质子和中子壳层，它们绕着一个共同的质心运行。原子核具有某种壳层结构的想法在 20 世纪 30 年代就已经渗透进去了，但梅耶能够用大量新的实验数据来支持和改进它，麻省理工学院的科学史家大卫·凯撒说。壳模型也与原子核就像一团质子和中子的汤或斑点的想法背道而驰。

梅耶意识到具有完全充满质子壳层的原子具有“幻数”质子；具有完全充满中子壳层的原子具有“幻数”中子，如果两种类型的壳层都充满——例如氧 16 和钙 40 的情况——则原子核是“双幻数”的。

但是幻数从何而来呢？在物理学家恩里科·费米的建议下，梅耶探索了“自旋轨道耦合”的概念。这意味着中子和质子在其壳层内的轨道与这些粒子的自旋相连。自旋轨道耦合的概念在物理学中早已为人所知，但以前从未应用于原子核中的“幻数”问题。

据《圣地亚哥联合论坛报》报道，梅耶这样向她的女儿描述它：“舞池里的所有情侣都朝一个方向走，那就是你的轨道。然后，每对情侣也在舞步中盘旋，那就是你的自旋。凡是跳过快速华尔兹的人都知道，如果所有情侣都朝一个方向跳舞，那就容易多了。这在原子核中也是一样的：每个粒子都沿着它们在轨道上行进的方向自旋。这就是自旋轨道耦合。”

这如何解释幻数呢？在量子力学中，中子或质子有两种可能的自旋：向上或向下。自旋和轨道运动在原子核内的组合称为总角动量。梅耶发现，当轨道运动和自旋运动对齐以产生最大总角动量时，粒子的能量会向下移动。相反，当轨道运动和自旋运动彼此相反时，粒子的能量会向上移动。“幻数”对应于所有此类移动能级之间最大的能量间隙，划定了壳层结束和开始的位置。

另一位梅耶不认识的物理学家汉斯·延森和他的同事们独立地得出了关于原子核结构的类似结论。根据梅耶的学生罗伯特·萨克斯(pdf)的说法，两人成为了亲密的朋友，并共同出版了 1955 年的著作《核壳结构的初等理论》。八年后，他们与维格纳共同获得了诺贝尔物理学奖。在梅耶的一封存档信件中，她称呼延森为“我的诺贝尔壳兄弟”。
梅耶在 1964 年告诉 400 名高中女生，从事她开创性工作的过程比发现自己获奖更令人兴奋。“一个下午，我找到了线索，经过一天的工作，我发现我一直希望能够解释的所有数据，确实被我研究出的理论预测到了，”她在其中一个档案文件夹中打印的一份小册子里的演讲中写道。她补充说，“在那样的时刻，人们不会想到诺贝尔奖。”

不过，这个奖项引起了人们对她的广泛关注。梅耶告诉《联合论坛报》，在诺贝尔奖公布后，她收到了大约 700 封信。她的加州大学圣地亚哥分校档案馆收藏着一堆感谢信，感谢诸如菊花花束和红玫瑰之类的礼物。哈佛大学的化学家弗兰克·韦斯特海默和他的妻子珍妮一定送了香槟，因为她写信给他们说：“香槟实际上是让人在媒体的猛烈攻击下生存的唯一途径。”

梅耶最终获得了加州大学圣地亚哥分校的正式教授头衔，并在 1960 年开始在那里任教，距离她获得大奖只有三年。一份给加州大学董事会的报告，一本背面有 1968 年印章的小册子，形容她“举止直率，不做作”，注意到她对种植兰花的热情，并提到她和她的丈夫刚刚完成了他们的第二次环球旅行。

私下里，挑战也迫在眉睫。萨克斯写道，梅耶搬到加利福尼亚州后中风，此后一直存在健康问题。但她仍然在大学任教，研究原子核壳模型，并在余生中“尽可能地关注物理学”。加州大学圣地亚哥分校的梅耶大厅后来以她的名字命名。

壳模型仍然存在

1964 年，梅耶告诉高中女生，她所认识的婚后继续从事科学工作的女性，只有嫁给了科学家的女性——但也说，总的来说，女性在科学领域的机会“非常好”，并敦促她们尽可能多地学习科学。“成为受过充分教育的女性，并以任何方式促进对科学的理解，”她说。“我们的国家需要你们的帮助。我这一代人已经尽到了自己的责任。现在轮到你们来承担重任了。”根据美国物理学会 (pdf)，在过去 40 年左右的时间里，获得物理学博士学位的女性人数一直在上升，并且处于历史最高水平 (pdf)。即便如此，女性仍然只占物理学博士学位的 20%。

然而，科学的进步仍在继续，建立在梅耶留下的遗产之上。虽然原子核壳模型现在已经有 50 多年的历史了，但物理学家仍在挖掘它的奥秘。“我们受到壳模型成功的激励，试图了解它的起源，”爱荷华州立大学物理学教授詹姆斯·瓦里说。

核壳层模型也为前沿的奇异粒子研究提供了信息。早在 2000 年代初期，一个由法国领导的研究小组就暗示了长期寻找的四中子的存在，即由四个中子组成的系统，并在 2016 年通过在日本理化学研究所放射性离子束工厂进行的实验得到了进一步证实。此外，爱荷华州立大学的物理学家使用基于我们目前对壳层模型的理解的模拟来证实了该粒子观测到的特性，Vary 说。

包括 Vary 在内的科学家最近还使用壳层模型来解决一个长期存在的难题，即为什么碳 14（一种用于古代物体和骨骼年代测定的特殊放射性碳形式）的半衰期接近 6000 年。 壳层模型本身并不能预测这种同位素会持续这么久。 但在 2011 年，研究人员发现一种涉及三个核粒子的相互作用，类似于三个人同时交换飞盘，可以解释其长寿命。“这是一件非常奇怪的事情，我认为在玛丽亚·格佩特·梅耶的时代，他们可能都无法想象，”Vary 说。

壳层模型在持续寻找难以捉摸的“无中微子双β衰变”方面也至关重要，这是一种长期寻求的粒子衰变过程，可能有助于解决中微子是否是其自身反粒子的谜团。 该模型可能还掌握着中子如何在死星（称为中子星）的超密集残骸内部以奇异方式聚集在一起的线索。

事实证明，梅耶的发现支撑着科学家们关于我们由什么构成以及我们从哪里来的最深刻的问题。 让我们庆祝她不仅作为一位罕见的获得诺贝尔奖的女性科学家，而且还作为一位开创性的思想家，她的思想仍然是我们探索宇宙起源的核心。