Az Utolsó Nő, Aki Fizikai Nobelt Nyert

2023 Szerző: Peter Bradberry | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-05-21 22:34

Több mint 50 év telt el azóta, hogy női nyertes volt. Visszatekintünk Maria Goeppert Mayer, az 1963-as győztes életére és örökségére.

Wolfgang Pauli fizikus „A hagyma Madonnának” nevezte, miután felfedezte, hogy az atom magja hagymaszerű réteges szerkezetű. Maria Goeppert Mayer, az utolsó nő, aki fizikai Nobel-díjat nyert, 1963-ban ezt a megtiszteltetést követelte.

Azóta sok más nőt is érdemesnek tartanak: a tavaly elhunyt Vera Rubint erős jelöltnek tartották a sötét anyag létének feltárásában. Jocelyn Bell Burnell nagy szerepet játszott a pulzárok felfedezésében, de a (férfi) diplomás tanácsadója elkapta az 1974-es Nobel-díjat. 2014-ben a Slate közzétette a női versenyzők hosszabb listáját. De a mai napig Mayer és Marie Curie az egyetlen nő, akit neveztek erre a bizonyos rangos díjra. Ez megváltoztathatja október 3-át, amikor a Nobel-bizottság kihirdeti az idei nyertest - de ki tudja?

Miután ismét közeledtek a Nobel-bejelentések, úgy döntöttem, hogy mélyebben megvizsgálom Mayer életét és munkásságát, aki messze nem egy családi név. Elhajtottam a San Diego-i Kaliforniai Egyetem napfényes campusára, ahol Mayer 1972-ben bekövetkezett haláláig 12 évig professzor volt. Az egyetem futurisztikus megjelenésű Geisel Könyvtárában átnéztem a dokumentumok százait. Mayer életéből a Különleges Gyűjtemények osztályán tárolva: kézzel írott levelek, gépelt levelezés, jegyzetfüzet oldalak, képeslapok, meghívók, igazolások, fotók, újságkivágatok - sőt a Western Union távirata is tájékoztatja Mayert Nobel-győzelméről. Elárulják az elért eredmények, valamint a csalódások életét, amelyet végül tudományosan gondolkodó barátok és nagy felfedezések töltenek be.

A családi vállalkozás

Mayer a németországi Kattowitz városában született, jelenleg a lengyelországi Katowicében. Egyetlen gyermek, az akadémikusok hosszú sorából származik, és családjában a hetedik generációs egyetemi tanár lesz. 1930-ban PhD fokozatot szerzett a göttingeni egyetemen, Max Born felügyelete alatt, aki maga fizika-Nobelt nyer. A levéltári dobozokban Mayernek sok kézzel írt levél évszázadokon átívelő születésű.

A diploma megszerzése után Mayer férjével, Joseph Mayer vegyésszel az Egyesült Államokba költözött. Amikor férje a Johns Hopkins Egyetemen, majd később a Columbia Egyetemen dolgozott, Mayer mindkét intézményben folytatott fizikai kutatást, de egyikben sem kapott teljes fizetést. A díj odaítélésekor írt rövid életrajz szerint „egyetlen egyetemnek sem jutna eszébe professzor feleségét alkalmazni”. Az idők másik jele: az archívumnak van egy 1941-es gépelt levele, amely arról tájékoztatja Mayert, hogy őt megválasztották az American Physical Society címzett „Tisztelt Uram” tagjává. A második világháború alatt a manhattani projekt uránizotópjainak elválasztásán dolgozott.

Miután a pár az 1940-es évek közepén Chicagóba költözött, Mayer „önkéntes” tisztséget töltött be a Chicagói Egyetemen, és részmunkaidős fizikai fizikus pozíciót töltött be az Argonne Nemzeti Laboratóriumban. Ezekben a chicagói években Mayer feltárta azokat a témákat, amelyekkel tudományos hírnevet szerez. Ennek tudatában izgatottan lapozgattam egy kis, 1947-es füzetbe firkált jegyzetek és egyenletek oldalát, amelynek elülső oldalán egy óriási Q betű volt az „M.” név fölött. G. Mayer”-Q természetesen a kvantummechanikához.

Gyors keringő

Mayer úttörő munkáját azzal kezdte, hogy összefüggést észlelt a különböző kémiai elemek bőségessége, valamint a magjukban található neutronok és protonok sajátos száma között. Az elemek egyéb tulajdonságait vizsgálva egyértelművé vált számára, hogy léteznek „varázsszámok” (Eugene Wigner fizikusnak mondják) a nukleáris részecskék stabil atomszerkezetekhez kapcsolódnak. A „varázslatos” proton- vagy neutronszámú elemek stabilabbak voltak, ezért elterjedtebbek a természetben.

A tudósok már abban az időben tudták, hogy az elektronok gömbhéjakban keringenek a mag körül, de Mayer megállapította, hogy a mag magában foglalja a közös tömegközéppont körül keringő, zárt proton- és neutronhéjakat. Az a gondolat, hogy a magnak valamilyen héjszerkezete van, már az 1930-as években elterjedt, Mayer azonban rengeteg új kísérleti adattal tudta alátámasztani és finomítani - mondja David Kaiser, a Massachusettsi Műszaki Intézet tudománytörténésze. A héjmodell olyan elképzelésekkel is repült, hogy a mag olyan, mint egy protonok és neutronok levese vagy foltja.

Mayer rájött, hogy egy teljesen teli protonhéjú atomnak „varázslatos száma” van; az egyik teljes neutronhéjjal „mágikus számú” neutron van, és ha mindkét típusú héj tele van - például az oxigén 16 és a 40 kalcium esetében -, akkor a mag „kétszeresen varázslatos”.

De honnan jöttek a bűvös számok? Enrico Fermi fizikus javaslatára Mayer feltárta a „spin-pálya összekapcsolás” gondolatát. Ez azt jelentette, hogy a héjában lévő neutronok és protonok pályája kapcsolódik ezeknek a részecskéknek a pörgéseihez. A spin-pálya összekapcsolás fogalma már ismert volt a fizikában, de még soha nem alkalmazták a magok „varázsszámok” problémájára.

Mayer így írta leányának a The San Diego Union – Tribune szerint: „A bálterem padlóján az összes pár egyirányú, és ez az Ön pályája. Aztán mindegyik pár köröz a tánclépésben, és ez a te pörgésed. Mindenki, aki valaha táncolt egy gyors keringőt, tudja, hogy sokkal könnyebb, ha az összes pár egy irányban táncol. Ugyanez van a magban: Minden részecske ugyanabba az irányba forog, ahogyan mind pályán halad. És ez a spin-pálya kapcsolás.”.

Hogyan magyarázta ez a mágikus számokat? A kvantummechanikában egy neutronnak vagy protonnak két lehetséges forgása van: felfelé vagy lefelé. A spin és az orbitális mozgás kombinációját a magban teljes szögmomentumnak nevezzük. Mayer megállapította, hogy amikor az orbitális és a spin-mozgások egymáshoz igazodva maximális teljes szögmomentumot eredményeznek, a részecske energiája lefelé tolódik. Fordítva, amikor az orbitális és a spin-mozgások ellentétesek egymással, a részecske energiája felfelé tolódik. A „mágikus számok” megfelelnek az összes ilyen eltolódott energiaszint közötti legnagyobb energiahiánynak, elhatárolva a héjak végét és kezdetét.

Egy másik Mayer fizikus, akit személyesen nem ismert, Hans Jensen, kollégáival függetlenül hasonló következtetésekre jutott az atommag szerkezetével kapcsolatban. Mayer hallgatójának, Robert Sachs (pdf) beszámolója szerint ketten szoros barátok lettek, és közösen kiadták az 1955-ös Elemi elmélet a nukleáris kagyló szerkezetét című könyvet. Nyolc évvel később Wignerrel közösen megosztották a fizikai Nobel-díjat. Mayer egyik archivált levelében „Nobel Shell testvéremként” szólítja meg Jensent.

Mayer 1964-ben egy 400 középiskolás lányból álló csoportnak elmondta, hogy izgalmasabb volt dolgozni, mint kideríteni, hogy megkapta a díjat. „És egy délután megtaláltam a nyomot, és egy napos munka után azt tapasztaltam, hogy minden adat, mindazt, amit reméltem, hogy meg tudok magyarázni, valóban az általam kidolgozott elmélet jósolta meg”- írta a beszédben, és az egyik levéltári mappában röpiratba nyomtatta. Hozzátette: „Ilyen pillanatokban nem gondolunk a Nobel-díjra.”.

A nyeremény azonban nagy figyelmet fordított rá. Mayer az Union – Tribune-nak elmondta, hogy a Nobel bejelentése után mintegy 700 levelet kapott. U. C. A San Diego-i archívumban található egy köszönőlevél montázs az olyan ajándékokért, mint a krizantém csokor és a vörös rózsa. Frank Westheimer, a Harvard Egyetem vegyésze és felesége, Jeanne biztosan pezsgőt küldtek, mert azt írta nekik: „A pezsgő az egyetlen dolog, amely lehetővé teszi az ember számára, hogy túlélje a sajtó támadását.”

Mayer végül a rendes professzor címet kapta U. C.-től. San Diegóban, és 1960-ban kezdett ott tanítani, alig három évvel a nagy kitüntetése előtt. A Kaliforniai Egyetem régészeinek készített jelentés, egy füzet, amelynek hátoldalán 1968-as pecsét található, „közvetlen és igénytelen módon” jellemzi, megjegyzi az orchideák termesztése iránti szenvedélyét, és megemlíti, hogy férjével éppen megtették második útjukat. a világ körül.

Magánként kihívások merültek fel. Mayert a kaliforniai költözés után agyvérzés érte - írta Sachs, és ezt követően folyamatos egészségügyi problémái voltak. De még mindig tanított az egyetemen, dolgozott a nukleáris héj modelljén, és egész életében „a lehető legnagyobb figyelmet szentelte a fizikának”. U. C. Később San Diego Mayer Hallját nevezték el róla.

A héj modell él

1964-ben Mayer elmondta a középiskolás lányoknak, hogy az egyetlen nő, akiről tudott, aki a tudományban folytatta a házasságkötést, tudósokat vett feleségül, de azt is, hogy a nők számára a tudományban általában nagyon jó lehetőségek vannak, és sürgette őket, hogy tanuljanak annyi természettudományt, amennyit csak tudnak tudott. "Legyen teljesen képzett nő, és minden lehetséges módon mozdítsa elő a tudomány megértését" - mondta. „Hazánknak szüksége van a segítségére. Az én generációm kivette a részét. Csak rajtad múlik. Az Amerikai Fizikai Intézet (pdf) adatai szerint a fizikai doktori fokozatot szerzett nők száma az elmúlt mintegy 40 évben emelkedő tendenciát mutat, és napjainkban minden idők csúcspontján van (pdf). Ennek ellenére a nők még mindig csak a fizika doktori fokozatok 20 százalékát képviselik.

A tudományos fejlődés azonban folytatódott Mayer hagyatékának hagyatékában. Bár a maghéj modellje már több mint 50 éves, a fizikusok még mindig a rejtélyeikbe ásnak. "A héjmodell sikere motivál bennünket, hogy megpróbáljuk megérteni annak eredetét" - mondja James Vary, az Iowa Állami Egyetem fizika professzora.

A héjmodell az egzotikus részecskék élvonalbeli kutatásáról is tájékoztat. A régóta keresett tetraneutron, négy neutronból álló rendszer létezésére egy francia vezetésű csoport utalt a 2000-es évek elején, és 2016-ban ezt még megerősítette egy kísérlet a japán RIKEN Radioaktív Ionnyaláb Gyárban. Továbbá az Iowa állam fizikusai szimulációkat használtak a héjmodell jelenlegi megértésén alapulva, hogy megerősítsék a részecske megfigyelt tulajdonságait - mondja Vary.

Tudósok, köztük Vary, a közelmúltban a héjmodellt is használták annak a régóta fennálló rejtvénynek a megválaszolására, hogy miért a szén 14, az ókori tárgyak és csontok tárolásánál használt speciális radioaktív szén-dioxid felezési ideje közel 6 000 év. A héj modell önmagában nem jósolja meg, hogy ez az izotóp ennyi ideig kitartana. De 2011-ben a kutatók három, a Frisbeék cseréjével egyidejűleg három emberhez hasonló atomrészecskét érintő interakcióval magyarázták annak hosszú élettartamát. "Ez egy nagyon furcsa dolog, amit nem hiszem, hogy talán Maria Goeppert Mayer korszakában ők is elképzelnék" - mondja Vary.

A héjmodell emellett fontos a megfoghatatlan „neutrinolessus kettős béta-bomlás”, egy régóta keresett részecskebomlási folyamat keresése során, amely segíthet megoldani a rejtélyt arról, hogy a neutrínók-e a saját antirészecskéik. A modell utalhat arra is, hogy a neutronok egzotikus módon vannak-e egymásba csomagolva az elhalt csillagok úgynevezett neutroncsillagok szupersűrűségében.

Mayer felfedezése kiderül, hogy megalapozza a tudósok legmélyebb kérdéseit azzal kapcsolatban, hogy miből vagyunk és honnan jöttünk. Ünnepeljük nemcsak azért, mert női Nobel-díjas tudósként ritkaságszámba megy, hanem úttörő gondolkodóként, akinek ötletei továbbra is a kozmikus eredetkeresés középpontjában állnak.