Мария Гепперт-Майер
Биография
Немецко-американский физик Мария Гёпперт-Майер (урожденная Мария Гёпперт) родилась в Каттовитце (ныне Катовице в Польше). М. была единственным ребенком в семье профессора медицины Фридриха Гёпперта и урожденной Марии Вольф, школьной учительницы. После переезда в Соединенные Штаты Г.-М. англизировала написание своей девичьей фамилии. Когда Марии исполнилось четыре года, семья переселилась в Гёттинген, где отец стал профессором кафедры детских болезней местного университета. Близкими друзьями их дома были Макс Борн и Джеймс Франк. Среди других знакомых было немало физиков из Гёттингенского университета, занимавшихся созданием новой физики, обязанной своим появлением квантовой механике. Отец поощрял рано проявившуюся любовь дочери к науке, брал ее с собой на природу, показывал солнечные и лунные затмения, собирал вместе с ней коллекцию ископаемых.
В то время Гёттингенский университет был ведущим центром исследований в новой области физики – квантовой механике. Когда Макс Борн пригласил Г.-М. принять участие в работе руководимого им физического семинара, интересы ее переключились с математики на физику и сосредоточились на квантовой механике, занимающейся изучением поведения атомов, ядер и субатомных частиц. Вскоре после начала занятий физикой Г.-М. провела один семестр в Кембриджском университете, где встречалась со знаменитым английским физиком Эрнестом Резерфордом. Докторскую степень она получила в 1930 г. в Гёттингене, защитив диссертацию на тему «Об элементарных процессах с двумя квантовыми скачками» («On Elemental Processes Whith Two Quantun Jumps»). Экзамены у нее принимала комиссия в составе Макса Борна, Джеймса Франка и Адольфа Виндауса.
После смерти отца в 1927 г. ее мать открыла пансион, как это нередко практиковалось в Гёттингене. Одним из обитателей пансиона был Джозеф Э. Майер, американский химик из Калифорнийского технологического института. Мария и Джозеф полюбили друг друга и поженились в январе 1930 г., незадолго до того, как Г.-М. получила докторскую степень. У них родились сын и дочь. После вступления в брак Мария стала именовать себя Гёпперт-Майер, сохранив девичью фамилию, по ее словам, из «чувства гордости за семь поколений университетских профессоров» со стороны отца. Через месяц после свадьбы молодая чета отплыла в Соединенные Штаты, где Джозефу Майеру было предложено место ассистент-профессора по химии в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе (штат Мериленд).
Несмотря на докторскую степень и прекрасные отзывы, господствовавшее в то время отношение к женам членов факультета не позволяло Г.-М. получить оплачиваемое место преподавателя в Университете Джонса Хопкинса. Однако ей удалось устроиться помощником одного из членов физического факультета. В ее обязанности входило разбирать корреспонденцию на немецком языке. Эта скромная должность давала Г.-М. небольшое жалованье, крохотный рабочий кабинет и возможность в какой-то мере участвовать в университетской жизни.
Областью своей научной деятельности Г.-М. решила избрать химическую физику, занимающуюся изучением молекул и их взаимодействий, но использовала она и другие возможности, которые представились на физическом и математическом факультетах. С физиком Карлом Ф. Герцфельдом, дружеские отношения с которым она сохранила на всю жизнь, Г.-М. исследовала распределение энергии вдоль поверхности твердых тел и поведение водорода, растворенного в металлическом палладии. После того как Герцфельд ушел из Университета Джонса Хопкинса, Г.-М. с одним из его бывших студентов Альфредом Скляром занялась исследованием квантовомеханических электронных уровней бензола и структурой нескольких органических красителей. В этой работе она продемонстрировала великолепную математическую подготовку, применив методы теории групп и теории матриц. Лето 1931, 1932 и 1933 гг. она, отчасти из-за тоски по родине, провела в Гёттингене, где работала с Борном.
В 1933 г., в том самом году, когда в Германии к власти пришли нацисты, Г.-М. получила американское гражданство. Антисемитизм и расистские законы губительно сказались на немецкой науке: многие выдающиеся ученые еврейского происхождения, в их числе Борн и Франк, покинули Германию. Дом Майеров в Балтиморе был открыт для беженцев из Германии, большинство из которых были евреями.
В Университете Джонса Хопкинса супруги Майер выполнили вместе несколько работ, в основном по теории конденсации. В 1938 г. они написали монографию «Статистическая механика» («Statistical Mechanics») о поведении огромного числа взаимодействующих частиц, например в газах и жидкостях. К моменту выхода книги в 1940 г. Джозеф Майер был ассистент-профессором химии Колумбийского университета в Нью-Йорке. Колумбийский университет предложил Г.-М. еще более низкое положение, чем то, которое она занимала в Университете Джонса Хопкинса. Хотя декан физического факультета предоставил ей отдельный кабинет, она не имела официальной должности и не получала жалованья. Но в Колумбийском университете она имела возможность работать с Энрико Ферми и Гарольдом К. Юри над проблемами химического и атомного строения, а Юри предоставил Г.-М. право чтения лекций по химии. С четой Юри супруги Майер стали близкими друзьями.
В 1941 г. Г.-М. стала преподавателем колледжа Сары Лоуренс, правда с неполной занятостью. Это была ее первая оплачиваемая преподавательская должность. На следующий год Юри ввел ее в Манхэттенский проект (в рамках которого велись работы по созданию атомной бомбы). Г.-М. возглавила группу, занимавшуюся исследованием возможности выделения расщепляющегося изотопа урана из природного урана с помощью фотохимических реакций. В 1945 г. она провела несколько месяцев в Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта, где работала с венгерско-американским физиком Эдвардом Теллером.
По окончании войны Джозеф Майер стал профессором химии Чикагского университета. Хотя Г.-М. в 1946 г. была назначена ассистент-профессором физики того же университета, но жалованья не получала, так как это запрещалось университетскими правилами, направленными на борьбу с непотизмом. В 1946 г. она стала по совместительству старшим физиком в Аргонской национальной лаборатории близ Чикаго, где строился ядерный реактор. В Аргоне Г.-М. сотрудничала с Ферми, Юри, Франком и Теллером и работала над расчетами критичности бридерного жидкометаллического реактора. Вычисления были выполнены на первом электронном компьютере – электронном численном интеграторе и компьютере (ЭНИАК), монтаж которого был незадолго до того завершен на артиллерийском полигоне Армии Соединенных Штатов в Абердине (штат Мериленд).
Именно тогда, работая с Теллером над теорией происхождения химических элементов, Г.-М. столкнулась с «магическими» числами, о которых впервые упомянул в своей работе в 1933 г. немецкий физик Вальтер Эльзассер. Атомные ядра состоят из протонов (положительно заряженных частиц, более чем в 1800 раз тяжелее отрицательно заряженных электронов) и нейтронов (электрически нейтральных частиц с массой, почти совпадающей с массой протонов). Г.-М. обнаружила, что по необъяснимой причине распространенность некоторых ядер существенно превосходит распространенность других и, следовательно, эти ядра должны обладать необычайно высокой стабильностью. Распространенность и стабильность имеют тенденцию к сближению, поскольку нестабильное ядро с высокой вероятностью превращается в другое, претерпевая радиоактивный распад. Если продукт распада также нестабилен, то со временем и он распадается, и так до тех пор, пока не образуется стабильный продукт. Стабильные ядра остаются и накапливаются. В особенно избыточных ядрах число протонов либо число нейтронов равно одному из магических чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и реже некоторым другим.
Г.-М. знала, что аналогичная ситуация существует и для атомных электронов, обращающихся вокруг ядра. Стабильность атомов носит химический характер, т.к. химическая реакция определяется тем, происходит ли потеря, приобретение или обобществление электронов (ядра атомов остаются неизменными). Как показывает периодическая таблица химических элементов, с увеличением атомного номера химические свойства элементов повторяются, образуя циклы, или периоды. Атомный номер – это число протонов (положительно заряженных частиц) в ядре, которое равно числу электронов (отрицательно заряженных частиц), обращающихся вокруг ядра в невозмущенном атоме, вследствие чего он в целом электронейтрален.
Периодическая стабильность, возникающая при определенных атомных номерах, получила объяснение на основе атомных энергетических уровней, связанных с угловым моментом электронов, обращающихся вокруг ядра. Согласно квантовой теории, энергетические уровни ограничены некоторыми дискретными значениями. Угловые моменты возникают вследствие обращения электронов вокруг ядра (орбитальный угловой момент) и вращения электрона вокруг собственной оси, наподобие волчка (спин). (Квантовая механика отвергает столь простые и наглядные образы, но все же они полезны.) Поскольку движущиеся электроны есть не что иное, как электрический ток, они создают магнитное поле. Так же как два магнита отталкивают или притягивают друг друга, орбитальные угловые моменты и спины электронов взаимодействуют между собой (спин-орбитальная связь). Согласно квантовой теории, каждому разрешенному уровню углового момента соответствует некоторое число дискретных энергетических состояний. Когда эти состояния связаны со спином электрона, возникает система энергетических уровней, каждый из которых определяется набором из четырех квантовых чисел. К этому следует добавить ограничение, налагаемое принципом запрета Вольфганга Паули. Согласно этому принципу, в каждом квантовом состоянии, задаваемом набором из четырех квантовых чисел, может находиться лишь один электрон. В результате при увеличении атомного номера, когда число электронов увеличивается каждый раз на единицу, очередной электрон занимает следующий, еще свободный уровень. Полная энергия возрастает шаг за шагом.
Шаги, на которые возрастает энергия, не равномерны: скопления мелких шажков разделены необычайно большими шагами. На основе ранних представлений об электронах, обращающихся вокруг ядра на различных расстояниях, такие скопления уровней получили название оболочек. О химическом элементе, у атома которого самый далекий от ядра электрон занимает последний уровень перед большим промежутком, говорят, что он замыкает оболочку. Элемент со следующим (более высоким) атомным номером, имеющий на один электрон больше, чем предыдущий элемент, начинает следующую оболочку. Замкнутая оболочка соответствует стабильному элементу. Поскольку срыв или присоединение одного электрона в случае замкнутой оболочки требует большего, чем обычно, количества энергии, в химические реакции такой элемент вступает «неохотно».
Схема оболочек была применена к ядру, когда предполагали, что протоны и нетроны как бы обращаются вокруг друг друга, но имела ограниченный успех. Ядро сильно отличается от атома. В атоме основную роль играет центральная сила притяжения между протонами в ядре и электронами. Это хорошо известная сила взаимодействия между электрическими зарядами. Электроны находятся на относительно больших расстояниях друг от друга, и их взаимное отталкивание слабо, поэтому энергия одного электрона мало зависит от положения других. Ядерные же силы между протонами и между протонами и нейтронами действуют на малых расстояниях, поэтому можно ожидать, что энергия одной частицы сильно зависит от положения других внутриядерных частиц. Единого центра притяжения в ядре не существует. Эти различия привели физиков-теоретиков на раннем этапе исследования к заключению, что спин-орбитальная связь для протонов и нейтронов в ядре должна быть почти пренебрежимо слабой.
Г.-М. упорно билась над решением проблемы структуры ядра. В начале своей работы она обнаружила два магических числа: 50 и 82. Затем, анализируя экспериментальные данные, она нашла еще пять магических чисел, но объяснить их не могла. Решающий момент наступил в 1948 г., когда Ферми спросил у нее: «Существуют ли какие-либо признаки спин-орбитальной связи?» Сразу же поняв, что спин-орбитальная связь дает ключ к проблеме, она в тот же вечер сумела объяснить ядерные магические числа. Г.-М. показала, что ядро также состоит из оболочек. По ее словам, атомное ядро напоминает по своему строению луковицу: оно состоит из слоев, содержащих протоны и нейтроны, которые обращаются вокруг друг друга и по орбите, как пары, вальсирующие на балу. Ядра стабильны, если оболочки протонов или нейтронов заполнены. Магические числа для ядер отличаются от магических чисел для атомных электронов, но аналогия между теми и другими с учетом соответствующих поправок существует.
О своей работе по теории ядерных оболочек Г.-М. сообщила в двух статьях, опубликованных в журнале «Физикал ревью» в 1948 и 1949 гг. Их появление совпало с публикацией почти такой же теории Й. Хансом Д. Йенсеном из Гейдельбергского университета, работавшим с Отто Хакселем и Гансом Э. Зюссом. Г.-М. и Йенсен встретились в 1950 г. в Германии, стали друзьями и вместе работали над книгой «Элементарная теория оболочечной структуры ядра» («Elementary Theory of Nuclear Shell Structure»), которая была опубликована в 1955 г.
Г.-М. и Йенсен были удостоены Нобелевской премии по физике 1963 г. «за открытие оболочечной структуры ядра». Вторая половина премии этого года была присуждена Эугену П. Вигнеру. Представляя новых лауреатов, Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук напомнил слушателям, что до открытий Г.-М. «удавалось объяснить не более трех магических чисел... Она и Йенсен убедительно доказали всю важность оболочечной модели для систематизации накопленного материала и предсказания новых явлений, связанных с основным состоянием и низко лежащими возбужденными состояниями ядер».
В 1960 г. университет в Сан-Диего пригласил супругов Майер. Марии предлагался пост полного профессора физики, Джозефу – профессора химии. Вскоре после переезда в Калифорнию у Г.-М. случился удар, возможно вызванный вирусной инфекцией. Она была частично парализована, нарушилась речь. После удара здоровье Г.-М. начало быстро ухудшаться, но она продолжала заниматься преподавательской деятельностью и работать над дальнейшим развитием ядерной физики. Г.-М. по-прежнему сотрудничала с Йенсеном. Их последняя совместная работа была опубликована в 1966 г., за 6 лет до того, как она скончалась в Сан-Диего от сердечного приступа.
Г.-М. была избрана в Национальную академию наук США и Американскую академию наук и искусств, а также членом-корреспондентом Академии наук в Гейдельберге. Она была почетным доктором колледжа Смита, колледжа Рассела Сейджа и колледжа в Маунт-Холиоке.
