Мария Гёпперт-Майер: Жизнь и научные достижения

Введение

Немецкий американский физик-теоретик (1906–1972)

Мария Гёпперт Майер (, ; 28 июня 1906 – 20 февраля 1972) – американский физик-теоретик немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике за создание модели ядерных оболочек атомного ядра. Она стала второй женщиной, удостоенной Нобелевской премии по физике, первой была Мария Кюри. В 1986 году в её честь была учреждена премия имени Марии Гёпперт Майер для молодых женщин-физиков, начинающих карьеру. Выпускница Геттингенского университета, Гёпперт Майер написала докторскую диссертацию, посвященную теории возможного поглощения атомами двух фотонов. В то время экспериментальная проверка её гипотезы казалась маловероятной, но разработка лазера в 1960-х годах позволила это сделать. Сегодня единица измерения сечения поглощения двух фотонов носит её имя – гопперт-майеровская единица (GM). Мария Гёпперт вышла замуж за химика Джозефа Эдварда Майера и переехала с ним в Соединенные Штаты, где он преподавал в качестве доцента в Университете Джона Хопкинса. Строгие правила, запрещающие кумовство, помешали университету принять её на преподавательскую должность, однако ей предложили работу ассистента, и в 1935 году она опубликовала важную статью о двойном бета-распаде. В 1937 году она перешла в Колумбийский университет, где получила неоплачиваемую должность. Во время Второй мировой войны она работала над разделением изотопов в рамках Манхэттенского проекта в Колумбийском университете, а также с Эдвардом Теллером в Лос-Аламосской лаборатории над разработкой термоядерного оружия. После войны Гёпперт Майер стала адъюнкт-профессором физики в Чикагском университете (где работали её муж и Теллер) и старшим научным сотрудником в Национальной лаборатории Аргонн, находившейся под управлением университета. Она разработала математическую модель структуры ядерных оболочек, за что в 1963 году была удостоена Нобелевской премии по физике, которой она разделила с Дж. Гансом Д. Йенсеном и Юджином Вигнером. В 1960 году она была назначена профессором физики в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Ранние годы

Мария Гёпперт родилась 28 июня 1906 года в Катовице (ныне Катовице, Польша), городе Силезии в бывшем Королевстве Пруссии, единственным ребенком педиатра Фридриха Гёпперта и его жены Марии Вольф. В 1910 году она переехала со своей семьей в Геттинген, когда ее отец, профессор университета в шестом поколении, был назначен профессором педиатрии в Геттингенском университете. Гёпперт была ближе к отцу, чем к матери. "Ну, мой отец был более интересным", – объяснила она позже. "В конце концов, он был ученым". Гёпперт получила образование в Höhere Technische в Геттингене, школе для девочек из среднего класса, стремящихся к высшему образованию. В 1921 году она поступила в Frauenstudium, частную среднюю школу, управляемую суфражистками, целью которой была подготовка девушек к поступлению в университет. Она сдала абитуриентский экзамен, вступительный в университет, в 17 лет, на год раньше, вместе с тремя или четырьмя девочками из своей школы и тридцатью мальчиками. Все девочки сдали, а из мальчиков – только один. Весной 1924 года Гёпперт поступила в Геттингенский университет, где изучала математику. Она провела год в Кембриджском университете в Англии, прежде чем вернуться в Геттинген. Предполагаемый дефицит женщин-учителей математики в школах для девочек привел к увеличению числа женщин, изучающих математику в период высокой безработицы, и в Геттингене даже была женщина-профессор математики, Эмми Нётер, но большинство из них интересовались лишь получением квалификации для преподавания. Вместо этого Гёпперт заинтересовалась физикой и решила получить докторскую степень. В своей докторской диссертации 1930 года она разработала теорию возможного поглощения атомами двух фотонов. Позже Юджин Вигнер описал диссертацию как "шедевр ясности и конкретности". В то время перспективы экспериментальной проверки ее диссертации казались отдаленными, но развитие лазера позволило провести первую экспериментальную проверку в 1961 году, когда в кристалле, легированном европием, была обнаружена двухфотонная возбужденная флуоресценция. В честь ее фундаментального вклада в эту область единица измерения сечения поглощения двух фотонов названа "GM". Один GM равен 10−50 см4 с фотона−1. Ее экзаменаторами были три лауреата Нобелевской премии: Макс Борн, Джеймс Франк и Адольф Отто Рейнхольд Виндаус (в 1954, 1925 и 1928 годах соответственно). Вместе с Максом Борном она была соавтором нескольких важных работ по динамике решеток кристаллов. 19 января 1930 года Гёпперт вышла замуж за Джозефа Эдварда Майера, американского стипендиата фонда Рокфеллера, который был одним из ассистентов Джеймса Франка. Они познакомились, когда Майер снимал комнату в семье Гёппертов. Пара переехала в родную страну Майера – Соединенные Штаты, где ему предложили должность доцента химии в Университете Джона Хопкинса. У них было двое детей: Мария Энн (которая позже вышла замуж за Доната Вентцеля) и Петер Конрад.

Maria Göppert was born on June 28, 1906, in Kattowitz (now Katowice, Poland), a Silesian city in the former Kingdom of Prussia, the only child of paediatrician Friedrich Göppert and his wife Maria née Wolff. In 1910, she moved with her family to Göttingen when her father, a sixth generation university professor, was appointed as the professor of pediatrics at the University of Göttingen. Göppert was closer to her father than to her mother. "Well, my father was more interesting", she later explained. "He was after all a scientist". Göppert was educated at the Höhere Technische in Göttingen, a school for middle class girls who aspired to higher education. In 1921, she entered the Frauenstudium, a private high school run by suffragettes that aimed to prepare girls for university. She took the abitur, the university entrance examination, at age 17, a year early, with three or four girls from her school and thirty boys. All the girls passed, but only one of the boys did. In the spring of 1924, Göppert entered the University of Göttingen, where she studied mathematics. She spent one year at Cambridge university, in England, before returning to Göttingen. A purported shortage of women mathematics teachers for schools for girls led to an upsurge of women studying mathematics at a time of high unemployment, and there was even a female professor of mathematics at Göttingen, Emmy Noether, but most were only interested in qualifying for their teaching certificates. Instead, Göppert became interested in physics, and chose to pursue a PhD. In her 1930 doctoral thesis she worked out the theory of possible two photon absorption by atoms. Eugene Wigner later described the thesis as "a masterpiece of clarity and concreteness". At the time, the chances of experimentally verifying her thesis seemed remote, but the development of the laser permitted the first experimental verification in 1961 when two photon excited fluorescence was detected in a europium doped crystal. To honor her fundamental contribution to this area, the unit for the two photon absorption cross section is named the "GM". One GM is 10−50 cm4 s photon−1. Her examiners were three Nobel prize winners: Max Born, James Franck and Adolf Otto Reinhold Windaus (in 1954, 1925, and 1928, respectively). With Max Born she co authored some important works on the lattice dynamics of crystals. On January 19, 1930, Goeppert married Joseph Edward Mayer, an American Rockefeller fellow who was one of James Franck's assistants. The two had met when Mayer had boarded with the Goeppert family. The couple moved to Mayer's home country of the United States, where he had been offered a position as associate professor of chemistry at Johns Hopkins University. They had two children, Maria Ann (who later married Donat Wentzel) and Peter Conrad.

Соединенные Штаты

Строгие правила против кумовства помешали университету Джонса Хопкинса нанять Гёпперт-Майер в качестве преподавателя. Эти правила, созданные во многих университетах для предотвращения протекционизма, к тому времени потеряли свою первоначальную цель и в основном использовались для предотвращения трудоустройства замужних женщин, чьи мужья были преподавателями. Ей предложили должность ассистента в отделе физики, работавшего с немецкой корреспонденцией, за которую она получала очень скромную зарплату, рабочее место и доступ к лабораториям. Она читала некоторые курсы и опубликовала важную статью о двойном бета-распаде в 1935 году. В университете Джонса Хопкинса мало интересовались квантовой механикой, но Гёпперт-Майер работала в этой области с Карлом Герцфельдом. Они сотрудничали в ряде статей, включая работу со студентом Герцфельда А. Л. Скларом о спектре бензола. Она также вернулась в Гёттинген летом 1931, 1932 и 1933 годов, чтобы работать со своим бывшим экзаменатором Борном, написав с ним статью для "Handbuch der Physik". Это прекратилось, когда в 1933 году к власти пришли нацисты, и многие ученые, включая Борна и Франка, лишились работы. Обеспокоенные антиеврейскими законами 1933 года, которые привели к увольнению профессоров еврейского происхождения, Гёпперт-Майер и Герцфельд включились в работу по оказанию помощи беженцам. Джо Майера уволили в 1937 году. Он объяснил это ненавистью декана физических наук к женщинам, которую, по его мнению, спровоцировало присутствие Гёпперт-Майер в лаборатории. Герцфельд согласился и добавил, что с Гёпперт-Майер, Франком и Герцфельдом, работающими в Джонс-Хопкинсе, некоторым казалось, что там слишком много немецких ученых. Также поступали жалобы от некоторых студентов на то, что лекции Майера по химии содержат слишком много современной физики. Майер получила должность в Колумбийском университете, где председатель физического факультета Джордж Б. Пеграм предоставил Гёпперт-Майер офис, но зарплату она не получала. Вскоре она подружилась с Гарольдом Юри и Энрико Ферми, которые прибыли в Колумбию в 1939 году, и все трое с семьями поселились в соседнем Леонии, штат Нью-Джерси. Ферми попросил ее исследовать валентную оболочку еще не открытых трансурановых элементов. Используя модель Томаса-Ферми, она предсказала, что они образуют новую серию, аналогичную редкоземельным элементам. Это оказалось верным. В 1941 году она была избрана членом Американского физического общества.

Strict rules against nepotism prevented Johns Hopkins University from hiring Goeppert Mayer as a faculty member. These rules, created at many universities to prevent patronage, had by this time lost their original purpose and were primarily used to prevent the employment of women married to faculty members. She was given a job as an assistant in the physics department working with German correspondence, for which she received a very small salary, a place to work and access to the facilities. She taught some courses, and published an important paper on double beta decay in 1935. There was little interest in quantum mechanics at Johns Hopkins but Goeppert Mayer worked with Karl Herzfeld in this area. They collaborated on a number of papers, including a paper with Herzfeld's student A. L. Sklar on the spectrum of benzene. She also returned to Göttingen in the summers of 1931, 1932 and 1933 to work with her former examiner Born, writing an article with him for the Handbuch der Physik. This ended when the Nazi Party came to power in 1933, and many academics, including Born and Franck, lost their jobs. Concerned by the 1933 anti Jewish laws that ousted professors of Jewish descent, Goeppert Mayer as well as Herzfeld became involved in refugee relief efforts. Joe Mayer was fired in 1937. He attributed this to the hatred of women on the part of the dean of physical sciences, which he thought was provoked by Goeppert Mayer's presence in the laboratory. Herzfeld agreed and added that, with Goeppert Mayer, Franck and Herzfeld all at Johns Hopkins, some thought that there were too many German scientists there. There were also complaints from some students that Mayer's chemistry lectures contained too much modern physics. Mayer took up a position at Columbia University, where the chairman of the physics department, George B. Pegram, arranged for Goeppert Mayer to have an office, but she received no salary. She soon made good friends with Harold Urey and Enrico Fermi, who arrived at Columbia in 1939, with the three of them and their families living in nearby Leonia, New Jersey. Fermi asked her to investigate the valence shell of the undiscovered transuranic elements. Using the Thomas–Fermi model, she predicted that they would form a new series similar to the rare earth elements. This proved to be correct. In 1941 she was elected a Fellow of the American Physical Society.

Манхэттенский проект

В декабре 1941 года Гёпперт-Майер заняла свою первую оплачиваемую профессиональную должность, преподавая науку неполный рабочий день в колледже Сары Лоуренс. Весной 1942 года, когда Соединенные Штаты вступили во Вторую мировую войну, она присоединилась к Манхэттенскому проекту. Она приняла предложение Ури о работе на неполный рабочий день в лабораториях SAM (Substitute Alloy Materials) Колумбийского университета. Целью этого проекта было найти способ разделения делящегося изотопа урана-235 в природном уране; она исследовала химические и термодинамические свойства гексафторида урана и изучала возможность разделения изотопов с помощью фотохимических реакций. Этот метод оказался непрактичным в то время, но последующее развитие лазеров открыло возможность разделения изотопов методом лазерного возбуждения. По рекомендации своего друга Эдварда Теллера, Гёпперт-Майер получила должность в Колумбийском университете в рамках проекта Opacity, который исследовал свойства вещества и излучения при экстремально высоких температурах с прицелом на разработку "Супербомбы" Теллера – военной программы по созданию термоядерного оружия. В феврале 1945 года Джо был отправлен на Тихоокеанский фронт, и Гёпперт-Майер решила оставить детей в Нью-Йорке и присоединиться к группе Теллера в Лос-Аламосской лаборатории. Джо вернулся из Тихого океана раньше ожидаемого, и они вместе вернулись в Нью-Йорк в июле 1945 года. В феврале 1946 года Джо стал профессором на химическом факультете и в новом Институте ядерных исследований Чикагского университета, и Гёпперт-Майер получила возможность работать там волонтером в качестве доцента физики. Когда Теллер также принял там должность, она смогла продолжить свои исследования в рамках проекта Opacity совместно с ним. После основания близлежащей Национальной лаборатории Аргонн 1 июля 1946 года, Гёпперт-Майер также предложили работу на неполный рабочий день в качестве старшего физика в отделе теоретической физики. Она ответила: "Я ничего не знаю о ядерной физике". Она запрограммировала ENIAC на Абердинском полигоне для решения задач критичности жидкометаллического реактора, используя метод Монте-Карло. Находясь в Чикаго, Майер совместно с Джейкобом Бигелейзеном вывела уравнение Бигелейзена-Майера.

In December 1941, Goeppert Mayer took up her first paid professional position, teaching science part time at Sarah Lawrence College. In the spring of 1942, with the United States embroiled in World War II, she joined the Manhattan Project. She accepted a part time research post from Urey with Columbia University's Substitute Alloy Materials (SAM) Laboratories. The objective of this project was to find a means of separating the fissile uranium 235 isotope in natural uranium; she researched the chemical and thermodynamic properties of uranium hexafluoride and investigated the possibility of separating isotopes by photochemical reactions. This method proved impractical at the time, but the development of lasers would later open the possibility of separation of isotopes by laser excitation. Through her friend Edward Teller, Goeppert Mayer was given a position at Columbia with the Opacity Project, which researched the properties of matter and radiation at extremely high temperatures with an eye to the development of the Teller's "Super" bomb, the wartime program for the development of thermonuclear weapons. In February 1945, Joe was sent to the Pacific War, and Goeppert Mayer decided to leave her children in New York and join Teller's group at the Los Alamos Laboratory. Joe came back from the Pacific earlier than expected, and they returned to New York together in July 1945. In February 1946, Joe became a professor in the chemistry department and the new Institute for Nuclear Studies at the University of Chicago, and Goeppert Mayer was able to become a voluntary associate professor of physics at the school. When Teller also accepted a position there, she was able to continue her Opacity work with him. When the nearby Argonne National Laboratory was founded on July 1, 1946, Goeppert Mayer was also offered a part time job there as a senior physicist in the theoretical physics division. She responded, "I don't know anything about nuclear physics." She programmed the Aberdeen Proving Ground's ENIAC to solve criticality problems for a liquid metal cooled reactor using the Monte Carlo method. While in Chicago, Mayer derived the Bigeleisen Mayer equation with Jacob Bigeleisen.

Модель ядерного корпуса

Во время работы в Чикаго и Аргонне в конце 1940-х годов, Гёпперт-Майер разработала математическую модель структуры ядерных оболочек, которую она опубликовала в 1950 году. Ее модель объяснила, почему определенное количество нуклонов в атомном ядре приводит к особенно стабильным конфигурациям. Эти числа Юджин Вигнер назвал «магическими числами»: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Согласно рассказу, переданному Джо Майером, Мария Гёпперт-Майер пришла к ключевому пониманию во время разговора с Энрико Ферми. Она осознала, что ядро состоит из ряда замкнутых оболочек, и что пары нейтронов и протонов склонны к образованию пар. Впоследствии она сотрудничала с ними. Ханс Йенсен был соавтором книги с Гёпперт-Майер в 1950 году под названием «Элементарная теория структуры ядерных оболочек». В 1956 году Гёпперт-Майер была избрана в Национальную академию наук США. В 1963 году Гёпперт-Майер и Йенсен разделили половину Нобелевской премии по физике «за их открытия, касающиеся структуры ядерных оболочек». Другая половина Нобелевской премии по физике в том же году была присуждена Юджину Вигнеру. Она стала второй женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике после Марии Кюри, и оставалась единственной на протяжении более полувека, пока Донна Стрикленд не была удостоена этой награды в 2018 году. Она также получила награду «Золотая пластина» Американской академии достижений в 1965 году. Гёпперт-Майер умерла в Сан-Диего, Калифорния, 20 февраля 1972 года, после сердечного приступа, случившегося с ней в предыдущем году и приведшего к коме. Она была похоронена в Мемориальном парке Эль Камино в Сан-Диего. После ее смерти Американское физическое общество (APS) учредило премию имени Марии Гёпперт-Майер в честь молодых женщин-физиков, начинающих свою карьеру. Премия открыта для всех женщин-физиков, имеющих докторскую степень, и включает денежное вознаграждение и возможность прочитать гостевые лекции о своих исследованиях в четырех ведущих учреждениях. В декабре 2018 года APS объявила Национальную лабораторию Аргонн историческим местом APS в знак признания ее работы. Национальная лаборатория Аргонн также чтит ее память, ежегодно вручая награду выдающейся молодой женщине-ученому или инженеру, а Калифорнийский университет в Сан-Диего ежегодно проводит симпозиум имени Марии Гёпперт-Майер, собирая женщин-исследователей для обсуждения современных научных достижений. Кратер Гёпперт-Майер на Венере, диаметром около 35 км, также назван в ее честь. В 1996 году она была включена в Национальный зал славы женщин. В 2011 году она была изображена на третьей серии почтовых марок «Американские ученые» вместе с Мелвином Кальвином, Асой Грей и Северо Очоа. Ее архивные материалы хранятся в библиотеке Гейзеля Калифорнийского университета в Сан-Диего, а физический факультет университета расположен в Майер-холле, названном в честь нее и ее мужа.

During her time at Chicago and Argonne in the late 1940s, Goeppert Mayer developed a mathematical model for the structure of nuclear shells, which she published in 1950. Her model explained why certain numbers of nucleons in an atomic nucleus result in particularly stable configurations. These numbers are what Eugene Wigner called magic numbers: 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126. In an account relayed by Joe Mayer, Maria Goppert Mayer attained a critical insight while speaking with Enrico Fermi. She had realised that the nucleus is a series of closed shells and pairs of neutrons and protons tend to couple together. Afterwards, she collaborated with them. Hans Jensen co authored a book with Goeppert Mayer in 1950 titled Elementary Theory of Nuclear Shell Structure. Goeppert Mayer was elected to the United States National Academy of Sciences in 1956. In 1963, Goeppert Mayer and Jensen shared one half of the Nobel Prize for Physics "for their discoveries concerning nuclear shell structure." The other half of that years Nobel Prize for Physics was awarded to Eugene Wigner. She was the second female Nobel laureate in physics, after Marie Curie, and would be the last for over half a century, until Donna Strickland was awarded the prize in 2018. and received the Golden Plate Award of the American Academy of Achievement in 1965. Goeppert Mayer died in San Diego, California, on February 20, 1972, after a heart attack that had struck her the previous year left her comatose. She was buried at El Camino Memorial Park in San Diego. After her death, the Maria Goeppert Mayer Award was created by the American Physical Society (APS) to honor young female physicists at the beginning of their careers. Open to all female physicists who hold PhDs, the winner receives money and the opportunity to give guest lectures about her research at four major institutions. In December 2018, the APS named Argonne National Laboratory an APS Historic Site in recognition of her work. Argonne National Laboratory also honors her by presenting an award each year to an outstanding young woman scientist or engineer, while the University of California, San Diego hosts an annual Maria Goeppert Mayer symposium, bringing together female researchers to discuss current science. Crater Goeppert Mayer on Venus, which has a diameter of about 35 km, is also named after Goeppert Mayer. In 1996, she was inducted into the National Women's Hall of Fame. In 2011, she was included in the third issuance of the American Scientists collection of US postage stamps, along with Melvin Calvin, Asa Gray, and Severo Ochoa. Her papers are in the Geisel Library at the University of California, San Diego, and the university's physics department is housed in Mayer Hall, which is named after her and her husband.